что такое катодная поляризация
Принцип электрохимической защиты. Катодная поляризация
2.2. Принцип электрохимической защиты.
1. Развитие науки о коррозии и защите.
Участие воздуха в окислении металла отметил еще в 1748 г. и доказал это в 1773 г. француз А. Лавуазье, указав при этом на кислород. Но только в 1791 г. Луиджи Гальвани – физик из Болоньи – опубликовал свои знаменитые электрохимические исследования. Лапка его лягушки, как первый электроизмерительный прибор, указала истинный путь к законам коррозии – от химии к электрохимии. Но тогда еще никто не догадывался, что именно гальваническая пара есть движущая сила коррозии.
альвани, наверное, не знал, что в 1936 г. близ Багдада найдут несколько глиняных кувшинов высотой около 14 см, внутри которых находился медный цилиндр и проржавевший железный сердечник. Аналогичные сосуды были найдены в развалинах селения на берегу Тигра. Эти предметы были отнесены к периоду Римской империи 27 г. до н. э. – 395 г. н. э. Не является ли найденные сосуды гальваническими элементами, которые, как предполагают, были использованы для электролитического золочения мелких предметов? Тогда как же быть с приоритетом Луиджи Гальвани?
В 1824 г. Хемфри Деви предложил защитить медную обшивку корабля с помощью прикрепляемых к ней железных (или цинковых) блоков при соотношении поверхностей железа и меди 1:100. Как мы теперь понимаем, Х. Деви впервые предложил протекторную защиту – разновидность электрохимической. Действительно, скорость коррозии медных листов и крепящих их гвоздей заметно упала, но защищенная медь стала обрастать морскими организмами, заметно снизившими скорость судна и Британское Адмиралтейство отвергло эту идею. Лишь после того, как деревянные корабли с медной обшивкой были заменены стальными судами, протекторная защита – к тому же с помощью цинковых пластин – стала традиционной. Но античные строители судов об этом догадались много раньше. Для защиты от червей-древоточцев к деревянной доске с помощью медных гвоздей прикрепляли свинцовую пластину. Однако свинец вблизи гвоздя быстро разрушался, поскольку, как мы сейчас понимаем, свинец по отношению к меди является анодом. И ими было найдено отличное решение: покрыть свинцом также и головки медных гвоздей. В результате этого гальваническая пара исчезла и ток коррозии прекратился.
Х. Деви не только защитил ряд кораблей от морской коррозии, но и вырастил знаменитого Майкла Фарадея. Именно Фарадей в 1834 г. обнаружил количественную связь между массой растворившегося металла и величиной электрического тока. Вся современная теория электролиза пользуется числом Фарадея.
Начало эры катодной защиты можно довольно точно совместить с началом ХХ столетия. Действительно, в 1902 г. К. Коэн, затем в 1908 г. Х. Гепперт соорудили первые катодные станции для защиты трубопроводов. Но «отцом катодной защиты» американцы назвали Роберта Кюна, который в 1928 г. построил первую установку катодной защиты на магистральном трубопроводе в Новом Орлеане. Р. Кюн дважды знаменит: от него идет число –0,85 В – так называемый, минимальный защитный потенциал, являющийся современным критерием электрохимической защиты.
В задачу защиты, как это не покажется странным, не входит полное прекращение процесса коррозии. К тому же, это и невозможно. Основная цель – замедлить скорость коррозионного разрушения до приемлемого уровня. Например, трубопровод, проложенный к некоторому объекту, может морально устареть уже через 20 лет. Поэтому есть ли смысл предусматривать для него срок службы – за счет средств антикоррозионной защиты – длительностью 40 лет? Какая то деталь машины механически изнашивается много быстрее, чем разрушается за счет электрохимического разрушения. И наоборот, например, небольшой элемент атомного реактора и это вызвало радиоактивное заражение окружающего пространства. Такой элемент при проектировании антикоррозионной защиты безусловно должен иметь двойной-тройной запас надежности.
2. Электрохимическая защита.
Согласившись с тем, что полностью изолировать металлическую поверхность от окружающей среды невозможно (даже, если натянуть на стальную трубу некий беспористый шланг, то как решить проблему герметизаций стыков м между шлангами?), коррозионная наука выдвинула альтернативный способ защиты. Способ был предложен, как вы уже знаете, в начале девятнадцатого века, но, как это часто бывает, оказался не очень нужным и получил распространение лишь через 100 лет. Это – электрохимическая защита (ЭХЗ) металлических сооружений от короозии.
В 1820 г. Хемфри Деви в докладе Королевскому обществу сформулировал основные принципы электрохимической защиты, они остаются теми же, но технология ее применения за этот период претерпела изменения.
Следовательно, изоляционные покрытия не гарантируют необходимой защиты газопровода от коррозии. Достаточно эффективная защита может быть обеспечена только при нанесении покрытий и применении электрохимической защиты (комплексная защита).
Электрохимической называется защита от коррозии, осуществляемая путем поляризации от внешнего источника тока или путем соединения с металлом, имеющим более отрицательный (катодная поляризация) или более положительный потенциал (анодная поляризация), чем у защищаемого металла.
Рис.1. Поле коррозионных и защитных токов при электрохимической защите. 1-защищаемый подземный трубопровод; 2-вспомогательный электрод-анод внешнего источника тока.
Итак, изоляционное покрытие ограждает, а электрохимическая защита подавляет.
В зависимости от способа получения электрического тока различают три виды ЭХЗ: катодную, протекторную, электродренажную.
При защите газопроводов применяется катодная поляризация.
При катодной поляризации металла скорость коррозии металла уменьшается при смещении его потенциала в область значений более отрицательных, чем стационарный потенциал корродирующего металла. Такое смещение потенциала обеспечивается подводом к металлу избыточных электронов за счет внешнего источника тока.
При соприкосновении металла с электролитом происходит растворение металла. Растворение прекращается, когда раствор станет насыщенным. Устанавливается состояние равновесия, т. е. скорость окисления равна скорости восстановления. В результате перехода катионов (+) металла в раствор на поверхности металла и прилегающем к ней слое раствора возникает заряд (-). Между этими двумя заряженными слоями существует разность потенциалов (скачок потенциала). При наступлении равновесия скачок потенциала примет значение, отвечающее равновесию (равновесный потенциал). Если в силу каких-либо причин равновесный потенциал установиться не может, то металл будет либо постоянно растворяться, либо восстанавливаться (катионы металла будут оседать на поверхности и входить в состав кристаллической решетки). Такой причиной может быть внешний источник тока.
Явление поляризации рассмотрим на примере иработы установки, изображенной на рис.2. При пропускании электрического тока через
раствор электролита можно заметить, что сила тока постепенно уменьшается.
(Вспомним закон Ома: I = U/R, следовательно, снижение силы тока обусловлено увеличением сопротивления в цепи).
Так как омическое падение напряжения в электролите, в соединительных проводниках и сопротивление источника питания постоянно, то, следовательно, увеличение сопротивления в цепи происходит за счет изменения электрохимических потенциалов электродов.
Изменение или сдвиг потенциала от равновесного значения называют поляризацией электрода.
Причиной поляризации является изменение величины потенциала электрода при изменении концентрации ионов вблизи электрода. После замыкания электрической цепи в прилегающем к электроду А (аноду) слое электролита концентрация ионов металла увеличивается за счет дополнительного перехода ионов металла в электролит. Увеличившаяся концентрация ионов металла препятствует дальнейшему переходу ионов в электролит, что равноценно появлению дополнительного сопротивления на границе анод-электролит, которое называют сопротивлением поляризации анода Rа.
В прилегающем к электроду К (катоду) слое электролита после замыкания цепи концентрация ионов металла наоборот уменьшится за счет восстановления металла на электроде, и процесс подвода к поверхности катода ионов металла будет тормозиться образовавшимися у поверхности катода анионами электролита (в нашем случае SO4 2-), что равноценно появлению дополнительного сопротивления на границе катод-электролит, которое называют сопротивлением поляризации катода Rк.
Электрод Cu Электрод Cu
Рис.2.Поляризация электродов под действием внешнего источника тока.
В установившемся режиме ток, проходящий через электролит, определяется по формуле:
Где: Е – напряжение источника постоянного тока, В; R – омическое сопротивление электролита, Ом; Rк – поляризационное сопротивление катода, Ом; Rа – поляризационное сопротиввление анода, Ом.
4. Катодная поляризационная характеристика.
При электрохимической защите возникает эффект катодной поляризации: потенциал корродирующей поверхности приобретает катодное смещение, в результате чего электрохимический потенциал защищаемого сооружения становится электроотрицательнее своего стационарного потенциала.
При защите методом катодной поляризации ток защиты стекает в окружающую среду со специального заземлителя или протектора, проходит сквозь грунт и втекает в сооружение. Этим достигается перемещение коррозионного процесса с защищаемого сооружения на заземлитель или протектор.
Рис. 3. Поляризационная коррозионная диаграмма, объясняющая механизм электрохимической защиты:
ЕА1, ЕК1-потенциалы анода и катода до поляризации; ЕА2-потенциал дополнительного электрода; 1-2-поляризация катода в связи с подключением дополнительного электрода; Iкор-ток коррозии; Iзащ-ток защиты.
Система электродов, образующая коррозионный элемент, при электрохимической защите поляризуется катодно подключением дополнительного электрода (от внешнего источника тока).
При электрохимической защите в простейшем случае получают трехэлектродную систему.
Для прекращения работы коррозионной пары ЕК1-ЕА1 необходимо, чтобы катод был поляризован до точки 2, соответствующий уровню потенциала ЕА1. Это достигается продключением к системе ЕК1-ЕА1 дополнительного, более отрицательного электрода ЕА2, поляризация которого выражается кривой ЕА2-2, что соответствует току защиты.
Из рассмотрения коррозионной диаграммы следует, что ток защиты всегда должен быть больше коррозионного тока. Ток коррозии равен 0
= 0
при достижении равенства потенциалов катодных и анодных участков, т. е. ЕК = ЕА.
Метод катодной поляризации предусматривает смещение электродного потенциала металла в отрицательную сторону до значений так называемого минимального защитного потенциала, при котором скорость растворения не превышает заданной величины. При этом смещение потенциала металла до заданного значения осуществляется путем катодной поляризации от внешнего источника тока. Катодную поляризацию осуществляют при помощи специальных установок катодной дренажной и протекторной защиты.
Скорость коррозии уменьшится до технически допустимой (0,025мм/год), если минимальное смещение потенциала при катодной поляризации относительно потенциала коррозии (стационарного потенциала без наложенного катодного тока – 0,55 В) стали составляет 300 мВ. То есть, минимальный поляризационный (защитный) потенциал равен –0,85 В. Этот критерий принят почти во всех национальных стандартах и рекомендациях.
Стационарный потенциал сооружения, при котором ток коррозии практически равен нулю называется защитным потенциалом.
При значении защитного потенциала менее минимального происходит неполная защита сооружения, т. е. возможна коррозия.
При достижении потенциала выше максимального значения будет наблюдаться перерасход потребляемой электроэнергии, а также, что самое главное, возможно разрушение изоляции (в основном в дефектах покрытия) под действием выделяющегося газообразного водорода.
Плотность тока катодной поляризации j и электрохимический потенциал исследуемого металла U обычно связывают графической зависимостью, называемой катодной поляризационной характеристикой U = F(j), вид которой определяется множеством физико-химических факторов, проявляющихся на поверхности поляризующегося электрода.
На рис. 4 приведена типичная поляризационная характеристика и установка для исследования катодной поляризации. Исследуемый электрод-катод 1 подключают к минусу источника тока, плюс которого связывают с вспомогательным электродом-анодом 2. Последний располагают так, чтобы стекающий с него ток затем натекал на катод достаточно равномерно. Измерительный электрод или его зонд 3 устанавливают рядом с исследуемым электродом-катодом.
По прошествии некоторого времени, необходимого для стабилизации электрохимических процессов, измеряют стационарный потенциал исследуемого электрода Ucт, после чего, медленно или ступенями изменяя ток поляризации, снимают поляризационную кривую.
Следует отметить, что катодное смещение DU есть отрицательное приращение потенциала электрода относительно своего стационарного состояния Ucт.
где ион водорода, потребляя электрон, превращается в газообразное вещество.
Таким образом, при больших плотностях катодного тока на защищаемом сооружении происходит выделение газообразного водорода.
Катодная поляризация должна осуществляться так, чтобы исключалось вредное влияние ее на соседние подземные металлические сооружения.
Вредным влиянием катодной поляризации защищаемого сооружения на соседнее металлическое считаются:
1)изменение потенциалов меньше минимального и более максимального значения на соседних сооружениях, имеющих катодную поляризацию;
2)появление опасности электрохимической коррозии на соседних подземных сооружениях, ранее не требовавших защиты от нее.
В общем случае электрохимическая защита основана на снижении скорости растворения металла при смещении его потенциала в отрицательную сторону по отношению к потенциалу коррозии.
Критерием электрохимической защиты изолированных стальных подземных газопроводов является наличие поляризационного защитного потенциала относительно медносульфатного электрода сравнения в пределах от –0,85 …-1,15 В на всем протяжении трубопровода.
Технология и основные методы катодной защиты от коррозии
Для металлических листов и деталей применяют разные технологии антикоррозийной защиты. Большое распространение получила катодная защита от коррозии. Этот способ обладает рядом характерных особенностей, а чаще всего катодную защиту применяют для крупных объектов. Это могут быть трубы, автомобили, металлические свайные конструкции, морские судна. Как именно происходит защита трубопроводов от коррозии на физическом и химическом уровне?
Основные технологии катодной защиты
Катодная защита — это специальный метод электрохимической защиты металлических объектов от ржавления и коррозии. Главный принцип заключается в том, что на защищаемый металлический объект накладывается отрицательный потенциал электрического тока. Это позволяет минимизировать контакт металла с внешними ионами и веществами, обладающими электрическим зарядом. Технология была разработана примерно 200 лет назад британским ученым Гемфри Дэви. Для подтверждения своей теории он составил несколько докладов, которые были переданы правительству. На основании этих докладов было произведена первая в мире катодная защита крупного промышленного корабля.
Антикоррозийная защита распространяется на различные объекты — трубопроводы, автомобили, дороги, самолеты и так далее. Обратите внимание, что тип металла значения не имеет — это может быть железо, медь, серебро, золото, алюминий, титан и любой другой металл, а также различные сплавы (с лигирующими добавками или без них). Одинаково успешно может выполняться защита от коррозии автомобиля, отдельных фрагментов труб, различных декоративных изделий сложной формы и так далее.
1 способ
Подключение детали к внешнему источнику электрического тока (обычно эту роль выполняются компактные подстанции). В случае применения технологии металлический объект выполняет функцию катода, а электрическая подстанция — функцию анода. Благодаря этому происходит сдвиг электрического потенциала, что позволяет защитить металлический объект от электрически активных частиц. Основные сферы применение данной технологии — защита трубопроводов, сварных конструкций, различных платформ, элементов дорожного покрытия и так далее. Эта технология является достаточно простой и универсальной, поэтому в мире она пользуется высокой популярностью. Ее главный минус — необходимость подключения защитного контура к внешнему источнику тока, что может быть неудобно в случае объектов, которые располагаются вдали от человеческой цивилизации (частично эта проблема решается за счет применения автономных источников энергии).
2 способ
Метод гальванической поляризации (технология гальванических анодов). Эта методика также является достаточно простой и интуитивно понятной: металлический объект присоединяется к другому, который обладает отрицательным зарядом (чаще всего этот элемент из легких металлов — из алюминия, цинка, магния). Технологию гальванической поляризации обычно применяют в тех случаях, когда на поверхности объекта есть защитный слой. Эта технология популярна в Америке, где есть большое количество малонаселенных пунктов и где наблюдается дефицит внешних источников энергии. Эксперты утверждают, что гальваническая поляризации могла бы стать очень популярной в России из-за особенностей нашей географии, если бы на отечественные трубопроводы наносилось защитное покрытие (при таком сценарии применение первой технологии было бы весьма затруднительно, что вынуждало бы людей искать альтернативу).
Технология катодной поляризации
В данном случае используется так называемый наложенный ток. Для его подачи на металлический объект используется внешний проводник (часто) или источник тока (редко). При контакте с электрически активной частицей происходит следующее — частица под действием сил электрического притяжения перемещается к защитному элементу с отрицательным зарядом, где происходит «утилизация» этих частиц.
Последствия такой «утилизации» очевидны — защитный элемент со временем сам покрывается коррозией и приходит в негодность. Поэтому данную технологию очень часто называют методом жертвенного электрода (вместо нашей детали происходит ржавление «электрода-жертвы»).
Помимо силы тока и напряжения при работе с катодной поляризацией нужно учитывать еще один важный параметр — это омическое напряжение. В техническом смысле этот параметр отражает тот факт, что по мере протекания электрического заряда со временем напряжение тока в контуре падает. Само падение происходит из-за того, что протекание катодного тока происходит по контуру с более низким зарядом. В случае правильной сборки контура этот показатель является достаточно маленьким — благодаря этому в контуре будет всегда сохраняться один и тот же ток одинаковой мощности.
Технология создания станций защиты
Еще одной технологией создания катодной защиты является подключение элемента к внешним источникам тока. В большинстве случаев для этих целей сооружаются специальные станции катодной защиты (СКЗ), которые состоят из нескольких элементов — главный источник тока, анодное заземление, различные кабели и провода, соединяющие отдельные элементы конструкции и вспомогательные пункты с механическим или компьютерным управлением, которые позволяют контролировать параметры.
Чаще всего данная технология используется для объектов, расположенных рядом с проводами электропередач — это могут быть трубопроводы, различные фабричные постройки и так далее. СКЗ могут работать во многопоточном режиме — в таком случае они будут обслуживать сразу несколько защитных систем. На трубах большое распространение получила практика, при которой на трубы ставится несколько отдельных блоков для более эффективного распределения тока. Дело все в том, что в случае протяженных трубопроводов в местах подключения труб к источникам тока формируются специальные точки с повышенным уровнем напряжения электрического поля — из-за этого может происходить повреждение труб. Применение подобных блоков позволяет распределить электричество равномерно по всему защитному контуру.
Автоматизация
Контрольные пункты могут работать как в ручном, так и в автоматическое режиме:
Особенности катодной защиты труб
Коррозия в трубопроводах обычно возникает из-за различных дефектов и повреждений труб — разрывы, растрескивание, появление щелей и так далее. Из-за коррозии нарушается герметизация труб, что может привести к полной или частичной поломке трубопровода. Особенно остро эта проблема стоит для подземных трубопроводов. При расположении труб под землей создаются участки с разным электрическим потенциалом. Это связано с неоднородностью грунта и наличия в земли различного мусора неорганического происхождения. При наличии серьезной разности потенциалов отрицательно заряженные ионы в земле начинают вступать в реакцию в металлом. Это приводит к коррозии, которая быстро разрушает трубопровод.
Электрический потенциал
Для уравнения электрических потенциалов необходимо снизить потенциал труб всего на 0,3-0,4 вольт. Это позволяет практически полностью остановить появление ржавчины. В случае правильного проведения работ скорость естественного ржавления составит менее 1 мм в год.
Выбор способа
Для труб подходит технология создания внешних станций защиты. В качестве источников питания в данном случае используют воздушные электролинии с напряжением от 500 до 10000 вольт. Чем больше напряжение, тем больше труб можно обслужить. Иногда таких линий нет на том или ином участке. В таком случае имеет смысл монтаж различных генераторов.
У технологии внешних станций есть один крупный недостаток. Для создания защиты придется проводить трудоемкие и сложные работы. Это значительно увеличивает стоимость создания трубопровода. При работе с большим напряжением в точке подачи электричества может создаваться избыточное электрическое напряжение — из-за этого может возникнуть водородное растрескивание труб, поэтому при проведении монтажных работ разводку электричества нужно производить аккуратно.
Вместо технологии защитных станций можно использовать методику применения гальванических анодов для создания эффекта поляризации. Эта технология подходит для грунтов с малым удельным сопротивлением (до 50 Ом на 1 кв. м). Если же удельное сопротивление грунта будет очень большим, то технология применения гальванических анодов является практически бесполезной в связи с ее малой эффективностью.
Особенности катодной защиты автомобилей
Коррозия на автомобилях часто появляется внезапно. Скорость её распространения очень высокая, поскольку у авто есть большое количество подвижных элементов. Во время эксплуатации в таких элементах могут образовываться различные маленькие трещины и вмятины. Это значительно увеличивает риск появления коррозии. Катодная защита автомобиля от коррозии обычно осуществляется путем перераспределения электрического потенциала.
Обычно используются специальные электронные модули, которые имеют компактные размеры и монтируются внутри автомобиля. Монтаж подобных блоков занимает не более 20 минут.
Дополнительная обработка
Заключение
Коррозия ухудшает технико-эксплуатационные характеристики металла, из-за нее может происходить обрушение металлического объекта и так далее. Чтобы избежать этого сценария, может применяться катодная защита от коррозии. Принцип работы весьма прост — на поверхности металлического тока создается напряжение, которое приводит к оперативному удалению заряженных частиц, что позволяет избежать ржавления металла. Применяются две технологии катодной защиты — подключение к детали внешнего источника тока или подключение к детали дополнительного проводника, который обладает отрицательным зарядом.
Катодная защита от коррозии – все особенности методики
Одним из часто применяемых методов электрохимической защиты разнообразных конструкций из металлов от ржавления является катодная защита. В большинстве случаев ее используют совместно с нанесением на металлические поверхности специальных покрытий.
1 Общая информация о катодной защите
Впервые такая защита металлов была описана в 1820-х годах Гемфри Дэви. На основании его докладов в 1824 году на корабле HMS Samarang осуществили проверку предоставленной теории. На медную обшивку корабля установили железные анодные протекторы, которые существенно уменьшили скорость ржавления меди. Методику стали развивать, и в наши дни катодная антикоррозионная защита всевозможных конструкций из металлов (трубопроводов, элементов автомобиля и т. д.) признается наиболее эффективной и широко используемой.
В производственных условиях такая защита металлов (ее нередко называют катодной поляризацией) производится по двум основным методикам.
Первая методика нашла широкое применение по всему миру. Она достаточно проста и экономически целесообразна, дает возможность предохранять металл от общей коррозии и от многих ее разновидностей – межкристаллитной коррозии «нержавейки», питтинговой, растрескивания латунных изделий, обусловленного напряжениями, при которых они работают.
Гальваническая схема нашла большее применение в США. В нашей стране она используется реже, хотя ее эффективность высока. Ограниченное применение протекторной защиты металлов в России связано с тем, что на многие трубопроводы у нас не наносят специальное покрытие, а это является обязательным условием для реализации антикоррозионной гальванической методики.
2 Как работает стандартная катодная поляризация металлов?
Катодная защита от коррозии производится посредством использования наложенного тока. Он поступает на конструкцию от выпрямителя либо иного источника (внешнего) тока, где промышленный по частоте переменный ток модифицируется в требуемый постоянный. Объект, который защищается, подключают к выпрямленному току (к «минусовому» полюсу). Конструкция, таким образом, является катодом. Анодное заземление (второй электрод) подключают к «плюсу».
Важно, чтобы между вторичным электродом и конструкцией имелся хороший электролитический и электронный контакт. Первый обеспечивается грунтом, куда погружают анод и объект защиты. Грунт в данном случае выполняет роль электролитической среды. А электронного контакта добиваются с помощью проводников из металлических материалов.
Регулирование катодной антикоррозионной защиты осуществляется посредством поддержания защитного потенциала между электролитической средой и индикатором потенциала поляризации (либо непосредственно конструкцией) на строго определенной величине. Замеряют показатель вольтметром с высокоомной шкалой.
Здесь необходимо понимать, что у потенциала есть не только поляризационный компонент, но и еще одна составляющая – падение (омическое) напряжения. Такое падение возникает из-за протекания через эффективное сопротивление катодного тока. Причем качество катодной защиты зависит исключительно от поляризации на поверхности изделия, которое предохраняется от ржавления. По этой причине выделяют две характеристики защищенности металлоконструкции – наибольший и наименьший потенциалы поляризации.
Эффективное регулирование поляризации металлов, учитывая все сказанное, становится возможным в том случае, когда показатель омического компонента исключается из величины полученной разности потенциалов. Добиться этого можно при помощи особой схемы замера потенциала поляризации. Описывать ее в рамках данной статьи мы не будем, так как она изобилует множеством специализированных терминов и понятий.
Как правило, катодная технология применяется совместно с нанесением на внешнюю поверхность предохраняемых от коррозии изделий специальных защитных материалов.
Для защиты неизолированных трубопроводов и других конструкций необходимо использовать существенные токи, что экономически невыгодно и технически сложно.
3 Катодная защита элементов автомобиля
Коррозия – активный и весьма агрессивный процесс. Качественная защита узлов автомобиля от ржавления вызывает немало проблем у автолюбителей. Коррозионному разрушению подвергаются все без исключения транспортные средства, ведь ржавление начинается даже тогда, когда на лакокрасочном покрытии машины появляется маленькая царапина.
Катодная технология предохранения автомобиля от коррозии достаточно распространена в наши дни. Ее применяют наряду с использованием антикоррозионных красок и всевозможных мастик. Под такой методикой понимают подачу электрического потенциала на поверхность той или иной детали автомобиля, что приводит к эффективному и длительному замедлению ржавления.
При описываемой защите транспортного средства катодом являются специальные пластинки, которые накладывают на наиболее уязвимые его узлы. А роль анода играет корпус автомобиля. Подобное распределение потенциалов обеспечивает целостность корпуса машины, так как разрушению подвергаются только катодные пластины, а основной металл не корродирует.
Под уязвимыми местами транспортного средства, которые можно защитить по катодной методике, понимают:
Для защиты автомобиля необходимо приобрести специальный электронный модуль (некоторые умельцы изготавливают его самостоятельно) и протекторы-пластины. Модуль монтируют в салоне машины, подсоединяют к бортовой сети (он должен быть запитанным при отключении автодвигателя). Установка устройства занимает буквально 10–15 минут. Причем энергии оно берет минимум, а антикоррозионную защиту гарантирует весьма качественную.
Защитные пластины могут иметь разный размер. Их число также отличается в зависимости от того, в каких местах автомобиля они монтируются, а также от того, какие геометрические параметры имеет электрод. На практике пластин нужно тем меньше, чем больший размер имеет электрод.
Защита от коррозии автомобиля по катодной методике производится и иными сравнительно простыми способами. Самый элементарный – подсоединить проводом «плюс» аккумулятора автомобиля к обычному металлическому гаражу. Обратите внимание – для подключения необходимо обязательно использовать резистор.
4 Защита трубопроводов методом катодной поляризации
Разгерметизация различных по назначению трубопроводов происходит во многих случаях из-за их коррозионного разрушения, вызываемого появлением разрывов, трещин и каверн. Особенно подвержены ржавлению подземные коммуникации. На них образуются зоны с разным потенциалом (электродным), что обуславливается гетерогенностью грунта и неоднородным составом металлов, из которых изготавливаются трубы. За счет появления указанных зон начинается процесс активного формирования коррозионных гальванических компонентов.
Катодная поляризация трубопроводов, выполняемая по схемам, описанным в начале статьи (гальваника или внешний источник энергии), базируется на уменьшении скорости растворения материала труб в процессе их эксплуатации. Достигается подобное уменьшение посредством смещения коррозионного потенциала в зону, имеющую по отношению к естественному потенциалу более отрицательные показатели.
Еще в первой трети 20 столетия был определен потенциал катодной поляризации металлов. Его показатель равняется –0,85 вольт. В большинстве грунтов естественный потенциал металлических конструкций находится в диапазоне от –0,55 до –0,6 вольт.
Это означает, что для эффективной защиты трубопроводов требуется «передвинуть» коррозионный потенциал в отрицательную сторону на 0,25-0,3 вольт. При такой его величине практическое влияние ржавления на состояние коммуникаций почти полностью нивелируется (коррозия за год имеет скорость не более 10 микрометров).
Методика с применением источника тока (внешнего) считается трудоемкой и достаточно сложной. Зато она обеспечивает высокий уровень защиты трубопроводов, ее энергетический ресурс ничем не ограничивается, при этом сопротивление (удельное) грунта оказывает минимальное влияние на качество защитных мероприятий.
Источниками питания для катодной поляризации обычно являются воздушные электролинии на 0,4; 6 и 10 кВ. На местностях, где таковых нет, допускается использование газо-, термо и дизель-генераторов в качестве источников энергии.
Ток-«защитник» распределяется неравномерно по протяженности трубопроводов. Наибольшая его величина отмечается в так называемой точке дренажа – в месте, где производится подключение источника. Чем больше расстояние от этой точки, тем меньше защищены трубы. При этом и чрезмерный ток непосредственно в зоне подключения оказывает негативное влияние на трубопровод – высока вероятность водородного растрескивания металлов.
Метод с использованием гальванических анодов демонстрирует неплохую эффективность в грунтах с малым показателем омности (до 50 ом*м). В грунтах высокоомной группы его не применяют, так как особых результатов он не дает. Здесь стоит добавить, что аноды изготавливают из сплавов на основе, алюминия, магния и цинка.
5 Коротко о станциях катодной защиты (СКЗ)
Для антикоррозионной защиты трубопроводов, проложенных под землей, вдоль трассы их залегания устанавливают СКЗ, включающие в себя:
Станции подключают к сетям электрического тока либо к автономным устройствам. Разрешается устанавливать на СКЗ несколько заземлений и источников энергии тогда, когда в одном подземном коридоре проложено две и более ниток трубопровода. Это, правда, влечет за собой увеличение расходов на проведение антикоррозионных мероприятий.
Если монтируется всего одна установка на многониточные коммуникации, ее соединение с трубами осуществляется посредством особых блоков. Они не позволяют формироваться сильным гальваническим парам, возникающим при монтаже глухих перемычек на трубные изделия. Указанные блоки изолируют трубы друг от друга, а также дают возможность выбирать на каждом элементе трубопроводов требуемый потенциал, гарантирующий максимальную защиту конструкции от ржавления.
Выходное напряжение на катодных станциях может регулироваться автоматически (установка в этом случае оснащается тиристорами) или вручную (оператор переключает при необходимости трансформаторные обмотки). В ситуациях, когда СКЗ функционируют в изменяющихся во времени условиях, рекомендуется эксплуатировать станции с автоматической регулировкой напряжения.
Они сами следят за показателями сопротивления (удельного) грунта, появлением блуждающих токов и прочих факторов, оказывающих негативное воздействие на качество защиты, и автоматически корректируют работу СКЗ. А вот в системах, где защитный ток и показатель сопротивления в его цепи остаются неизменными, лучше использовать установки с ручной настройкой напряжения на выходе.
Добавим, что регулирование в автоматическом режиме производится по одному из двух показателей:
6 Информация об известных станциях катодной защиты
Среди популярных отечественных СКЗ можно выделить несколько установок. Очень востребованной является станция Минерва–3000 – мощная система, разработанная французскими и российскими инженерами для объектов Газпрома. Достаточно одной Минервы, чтобы надежно защитить от ржавления до 30 километров трубопроводов. Станция обладает такими основными достоинствами:
Кроме того, к Минерва–3000 можно подключать установки для удаленного контроля над работой станции и дистанционного управления ее оборудованием.
Отличными техническими показателями обладают и системы АСКГ-ТМ – современные телемеханизированные адаптивные станции для защиты электрокабелей, городских и магистральных трубопроводов, а также емкостей, в которых хранят газ и нефтепродукты. Такие устройства выпускаются с разными показателями (от 1 до 5 киловатт) выходной мощности. Они располагают многофункциональным телеметрическим комплексом, позволяющим выбирать конкретный рабочий режим СКЗ, мониторить и изменять параметры станции, а также обрабатывать поступающую информацию и отправлять ее оператору.
Преимущества использования АСКГ-ТМ:
Имеются СКЗ и других типов, сведения о которых несложно найти на специализированных сайтах в интернете.
7 Какие объекты можно защищать при помощи катодной поляризации?
Кроме защиты автомобилей и трубопроводов рассматриваемые методики поляризации активно используются для предохранения от коррозии арматуры, входящей в железобетонные конструкции (здания, дорожные объекты, фундаменты и так далее). Обычно арматура представляет собой единую электросистему, которая при попадании в нее хлоридов и воды активно корродирует.
Катодная поляризация в сочетании с операцией санации бетона останавливает коррозионные процессы. В данном случае необходимо применять два типа анодов:
Регулируя внешний ток, поступающий на железобетонную конструкцию, осуществляют выбор потенциала арматуры.
Поляризация считается незаменимой методикой для защиты стационарных строений, размещаемых на континентальном шельфе, в газовой и нефтяной промысловых сферах. Первоначальные защитные покрытия на таких объектах невозможно восстановить (требуется их демонтаж и транспортировка в сухие ангары), а значит, остается один выход – катодная защита металлов.
Для предохранения от морской коррозии применяется гальваническая поляризация гражданских кораблей посредством анодов из цинка, магния, алюминиевых сплавов. На берегу (во время ремонтов и стоянок) судна подключают к СКЗ, аноды для которых делают из платинированного титана.
Также катодная защита используется для предохранения от разрушения внутренних частей сосудов и емкостей, а также труб, которые контактируют со сточными промышленными водами и иными агрессивными электролитами. Поляризация в данном случае увеличивает время безремонтного применения указанных конструкций в 2–3 раза.