Из какого металла не изготавливают протекторы

Обновлено: 24.01.2025

Маленькие суда и огромные корабли в одинаковой степени подвергаются такому виду разрушения, как электрохимическая коррозия.

Практически все так называемые «алюминиевые» лодки на самом деле изготовлены не из чистого алюминия, а из сплава на его основе, например, дюралюминия, АМг (алюминий-магний) или других. А некоторые суда совмещают в себе не один металл, например, до 1975 года мотолодки «Прогресс» выпускались с элементами (скуловые накладки) из нержавеющей стали X18Н10Т. В результате, из-за значительной разницы потенциалов, электрохимическая коррозия протекала в разы интенсивнее. Протекторная защита маломерного судна от коррозии – довольно простой и действенный метод борьбы с разрушением. В процессе эксплуатации алюминиевая лодка подвергается воздействию не только влаги, находящейся в воздухе. Судно непосредственно контактирует с водой, которая является отличным электролитом.

Суть протекторной защиты заключается в следующем. К алюминиевой лодке присоединяют металл, потенциал которого более электроотрицательный. Работает гальванический элемент. Катодом является металл лодки, а жертвенным анодом – протектор. Вода – электролитическая среда, которая обеспечивает работу гальванопары. В данной гальванической паре постепенно разрушается протектор, отдавая электроны в раствор и, тем самым, ограждая корпус от воздействия агрессивной среды. Алюминиевая лодка и ее составные части не подвергаются электрохимической коррозии до тех пор, пока работает и разрушается протектор. О том, что данный способ защиты работает можно судить по увеличению срока службы маломерного судна и уменьшению массы протектора. После полного разрушения анода его необходимо заменить на новый.

Металл-протектор, используемый для протекторной защиты лодки (катера) от электрохимической коррозии, должен быть чистым, т.е. без какого-либо покрытия и соответствовать некоторым требованиям. Для изготовления протекторов используют алюминий (стандартный электрохимический потенциал -1,700 В), магний (-2,372 В), цинк (-0,763 В) или сплавы данных металлов. Протекторы, отлитые из магния, будут эффективно защищать от электрохимической коррозии корпуса лодок, изготовленных из алюминия, стали.

Крепить протектор необходимо на подводной части судна. У лодок «Прогресс» с наружной части обоих бортов есть специальные гнезда, к которым монтируются колеса для перевозки. В эти гнезда и можно установить протекторы (по одному на борт). Перед монтажом следует тщательно очистить корпус лодки от грязи, масла, продуктов коррозии и других загрязнений. На чистую поверхность устанавливается резиновая прокладка (протектор не должен непосредственно контактировать с защищаемым металлом). Винты, при помощи которых крепится анод (протектор), также необходимо изолировать при помощи изолирующих втулок. Углубление, в котором находится головка винта, изолируется битумом или эпоксидной смолой (не должно быть контакта с водой). Если в процессе эксплуатации винты немного раскрутились либо появились щели между корпусом, прокладками и протектором, необходимо немного подтянуть винты и снова изолировать шапку винта эпоксидной смолой или битумом.

Есть специальные протекторы, которые используются при хранении судов на воде. Их подвешивают по одному на борт (по обе стороны лодки). Протекторы должны находиться в воде, на уровне киля, т.к. это наиболее уязвимая часть судна. Перед эксплуатацией лодки аноды поднимают на борт, при необходимости (при стоянке) опускают в воду.

Использование протекторов для защиты алюминиевых и других металлических лодок от электрохимической коррозии позволяет продлить срок службы не только корпуса лодки, но и электродвигателя.

Протектор; А – анод; К – катод.

Протекторная защита трубопроводов основана на принципе работы гальванических пар. При защите подземных металлических объектов с помощью протекторных установок к трубопроводу подключают протектор (анодный электрод), имеющий более низкий электрохимический потенциал, чем потенциал металла трубы. Создаются условия, при которых трубопровод выступает в качестве катода, а электрод (протектор) в качестве анода, в результате добиваются прекращения коррозионного разрушения трубопровода за счет интенсивного разрушения протектора.

При устройстве протекторной защиты к стальному трубопроводу подключают металлический протектор. В результате этого образуется гальванический элемент «труба-протектор», в котором трубопровод является катодом, протектор – анодом, а почва – электролитом.

Таким образом, протекторная защита имеет те же основы, что и катодная защита. Разница заключается в том, что необходимый для защиты ток создается крупным гальваническим элементом, поэтому протекторную защиту иначе называют защитой гальваническими анодами. При этом положительный полюс находится на защищаемой поверхности, а отрицательный – на разрушаемом аноде, то есть в порядке, обратном порядку при катодной защите с наложенным током от внешнего источника.

Протекторные установки

Металлы и сплавы, применяемые для изготовления протекторов

Требования, предъявляемые к материалу протектора:

- материал протектора должен иметь более отрицательный потенциал, чем потенциал трубопровода;

- на поверхности протектора не должны образовываться плотные окисные пленки (материал протектора должен иметь малую анодную поляризуемость);

- материал протектора должен иметь высокий КПД, т.к. происходит самокоррозия протектора;

- материал протектора должен иметь высокую удельную токоотдачу, то есть g → max [А∙час/кг];

- количество электроэнергии с единицы веса (токоотдача) должна быть максимальной при минимальной стоимости.

В качестве материалов протекторов используют алюминий, цинк и магний, а так же сплавы на их основе.

Физико-химические свойства металлов,

Используемых в качестве протекторов

Показатели Магний Цинк алюминий
Относительная молекулярная масса 24,32 65,38 26,97
Валентность 2 2 3
Электрохимический эквивалент, кг/(А∙год) 3,97 10,7 2,94
Токоотдача, (А∙час)/кг 2200 820 2980
Равновесный электродный потенциал по нормальному водородному электроду, В -2,34 -0,76 -1,67

Магниевые сплавы

Магний, относится ко второй группе периодической системы эле­ментов Д. И. Менделеева. Металлы этой группы характеризуются относительно высокой химической и электрохимической активно­стью. Интенсивность коррозии металлов этой группы во многом за­висит от растворимости их гидроокисей. Более умеренная по срав­нению с другими металлами коррозия магния в ряде случаев связана с плохой растворимостью окисных и гидроокисных пленок, обра­зующихся на его поверхности.

Технический и даже чистый магний хорошо растворяется в водных растворах кислот, бурно выделяя водород и значительное коли­чество тепла. Так как гидроокись магния не обладает амфотерными свойствами, то скорость коррозии этого металла в водных растворах щелочей не увеличивается, а уменьшается.

В воде магний корродирует медленно, причем скорость коррозии повышается с увеличением содержания в воде солей.

В нейтральных водных средах основным продуктом коррозии магния является гидроокись, в растворах же кислот образуются соли магния. Наиболее растворимыми солями магния (по степени убывания растворимости) являются хлорид, бромид, иодид, суль­фат, хромат и нитрат. К плохо растворимым соединениям этого ме­талла относятся сульфид, карбонат, фторид, борат, фосфаты, гидро­окись. Гидроокись магния осаждается из водного раствора при рН = 8—11 (в зависимости от концентрации ионов магния).

Потенциал магния в нейтральных водных электролитах и особенно в щелочных растворах оказывается более положительным, чем в ки­слотных растворах, т. е. растворение в кислых средах окисной пленки приводит к сдвигу электродного потенциала магния в область более отрицательных значений. Образование нерастворимых продуктов коррозии на металле частично или полностью тормозит анодную реакцию и этим смещает электродный потенциал магния в область более положительных значений.

Следовательно, поляризационные характеристики магниевого электрода в значительной мере зависят от состава окружающей среды. В случае, когда к металлу поступают анионы хлора (С1 - ) или анионы серной кислоты (SO4 2- ), образующие растворимые магниевые соли, анодная поляризация магниевого электрода оказывается небольшой. Ионы же, образующие на поверхности магниевого электрода нерас­творимые соединения, способствуют более сильной анодной поляри­зации. В природных условиях такие анионы, как фтор (F - ) и фосфор­ной кислоты (РО4 3- ), встречаются в небольших количествах.

Окисные и гидроокисные пленки, образующиеся на магниевом электроде, при наличии воды или влажного воздуха оказываются легко проницаемыми для ионов хлора и сульфат-ионов. По этой при­чине магниевые электроды не подвергаются сильной поляризации.

Продукты коррозии, образующиеся на протекторах, обогащаются анионами, находящимися в окружающей среде, поэтому вокруг про­текторов создается токопроводящий слой, т. е. своеобразный акти­ватор. Иногда такой слой оказывается более эффективным, чем ис­кусственно созданный.

Стационарный потенциал магния примерно на один вольт оказы­вается положительнее его нормального потенциала. В нейтральных или слабощелочных электролитах сдвиг потенциала магниевого электрода в область более положительных значений зависит от на­личия на его поверхности сплошной пленки, способствующей замед­лению анодной реакции. Поэтому потенциал магниевого анода в вод­ных электролитах зависит прежде всего от солевого состава и в мень­шей степени от концентрации собственных ионов, которые и опре­деляют стационарный потенциал магниевого электрода. Вещества, способствующие снятию окисной пленки или увеличивающие ее про­ницаемость, как правило, облегчают течение анодной реакции и сдви­гают потенциал в область более отрицательных значений. Наоборот, вещества, создающие защитную пленку, тормозят анодную реакцию и сдвигают потенциал магниевого электрода в область более поло­жительных значений. Первый случай наблюдается при наличии в среде ионов хлора Cl - и серной кислоты SO4 2- , способных легко про­никать через пленку; второй случай — в щелочных средах или в при­сутствии ионов, образующих нерастворимые соединения магния.

При подключении магниевого и других протекторов к защи­щаемой конструкции их потенциал меняется. При прочих равных условиях скорость растворения магниевых электродов пропорцио­нальна плотности анодного тока. Чем больше отдача электрической энергии, приходящаяся на единицу веса протектора, тем интенсив­нее его растворение. С увеличением плотности тока в растворах, со­держащих гидроксильные, карбонатные, фторидные, боратные или фосфатные ионы в значительных количествах, потенциал магниевого анода быстро понижается.

Высокая поляризация магниевых и других протекторов наблю­дается в сухих почвах.

Таким образом, поведение магниевых протекторов во многом зависит от состава и концентрации в окружающей среде ионов различных солей, а также от кислотности и щелочности среды, т. е. от концентрации водородных ионов и влажности почвы.

Несмотря на отмеченные положительные свойства магния как материала для протекторов, чистый магний все же не рекомендуется применять для изготовления протекторов из-за значительной самокоррозии этого металла.

Магниевые сплавы с добавками цинка имеют меньшую скорость самокоррозии. Введение в сплав алюминия позволяет также сместить потенциал протектора в область более отрицательных значений.

Наличие в протекторе примесей, особенно таких, как никель, железо и медь, имеющих сравнительно небольшое перенапряжение водорода, обычно способствует увеличению самокоррозии. Поэтому количество таких примесей должно быть минимальным.

Например, при исключении из магниевого сплава примесей железа КПД магниевого протектора может быть увеличен на 20%. Однако получение такого сплава связано с технологическими трудностями. Марганец при определенных условиях может являться полезной примесью, так как он способствует уменьшению вредного влияния железа, содержащегося в сплаве протектора.

Литейные сплавы магния с цинком и алюминием, такие как МЛ-3 — МЛ-6, могут быть использованы для изготовления протекто­ров. Однако более лучшими сплавами являются МЛ-4 и МЛ-5. Протек­торы из них имеют значительный отрицательный электродный по­тенциал, небольшую поляризуемость, способность растворяться с образованием рыхлых продуктов коррозии, что и определяет высо­кую эффективность работы этих протекторов.

Магниевые протекторы МГА (ВНИИСТа) из сплава МЛ-5 широко применяют при защите магистральных трубопроводов и других кон­струкций от почвенной коррозии.

В магниевом сплаве сумма загрязнений должна быть не больше 0,6 %, в том числе железа не больше 0,15 %. Стальной сердечник, уста­навливаемый в кокиль, должен иметь чистую поверхность, без следов окалины и коррозии.

К сплаву должно плотно прилегать не менее 80% поверхности сердечника. Это можно определять визуально при рассмотрении шлифов.

Поверхность протектора также должна быть чистой. В отливках не допускается трещин и флюсовых включений.

В случае длительного хранения протекторы подвергаются кон­сервации.

Сернокислый магний и сернокислый натрий образуют легко растворимые соединения с продуктами растворения протектора, чем обеспечивают постоянство его потенциала и уменьшают сопротивле­ние растеканию протектора.

Сернокислый магний и сернокислый натрий представляют собой соли, растворимые в воде. Сернокислый кальций — мелкокристал­лический порошок (либо строительный гипс или алебастр), в отличие от указанных двух солей, имеет значительно меньшую раствори­мость в воде, благодаря чему в заполнителе поддерживается по­стоянная концентрация сульфат-ионов.

Алюминиевые сплавы

Алюминий относится к третьей группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Известно, что его электрохимический потенциал в нейтральных и кислых электролитах небольшой, в щелоч­ных же растворах, наоборот, значительный. На алюминиевом электроде не устанавливается потенциал, близкий к значению равновес­ного, определяемого из термодинамических данных. Объясняется это тем, что алюминий в водных электролитах покрывается окисной пленкой. В щелочных средах защитные окисные пленки на алюминиевом электроде не образуются вследствие их растворения, поэтому алюминий в этих условиях находится в активном состоянии.

Сравнительно небольшой молекулярный вес алюминия, а также его высокая валентность приводят к тому, что он оказывается спо­собным отдать значительное количество электроэнергии на единицу его веса. Однако образование плотных окисных пленок па поверх­ности алюминиевого протектора с последующей поляризацией и сме­щением его потенциала примерно до потенциала незаполяризованной стальной конструкции пока не позволило применить протекторы из чистого алюминия. Поэтому были исследованы двойные сплавы на основе алюминия с добавкой цинка и тройные сплавы на основе алюминия с добавкой цинка и магния.

Алюминиевый сплав с добавками цинка даже в нейтральных электролитах имеет потенциал, смещенный в область более отрица­тельных значений. В щелочных средах потенциал такого сплава из­меняется на небольшую величину.

Исследования показали, что такие сплавы имеют ряд преиму­ществ. Так, например, испытания сплавов алюминия с 1 и 6,5% цинка показали, что в глинистой почве сплав алюминия с 6,5% цинка дает лучшие результаты по сравнению с первым сплавом. На еди­ницу количества электрической энергии этого сплава требуется меньше по сравнению с другими сплавами и металлами. Сплав алю­миния с цинком в глинистой среде имеет достаточно высокий отри­цательный потенциал. Алюминиевые протекторы в среде из смеси песка, хлористого натрия и извести в первое время работы показы­вают высокую эффективность.

Преимуществом протекторов на основе алюминия с добавкой маг­ния по сравнению с протекторами из чистого алюминия является то, что на их поверхности образуются менее устойчивые продукты корро­зии. Добавка магния в сплав алюминия с цинком повышает силу тока и увеличивает абсолютное значение отрицательного потенци­ала. Однако поляризация указанных сплавов также значительна.

Изучали возможность получения алюминиевых сплавов, обла­дающих эффектом депассивации и поэтому не требующих активато­ров. В качестве депассиватора использовали кальций. В морской воде алюминиево-кальциевый сплав, содержащий до 4% кальция, быстро пассивируется. Лучшим по силе тока и стабильности потен­циала является сплав, содержащий 7,4% кальция.

Цинковые сплавы

Цинк относится ко второй группе периодической системы элемен­тов Д. И. Менделеева, это металл, который характеризуется повы­шенной химической и электрохимической активностью. Его раство­рение в водных растворах зависит от их солевого состава, содержания в них кислорода и от температуры. В чистой воде скорость растворе­ния изменяется в зависимости от температуры.

Растворенный кислород оказывает существенное влияние на растворение цинка в воде. Установлено, что при наличии в воде кислорода в количествах, недостаточных до полного насыщения, растворение цинка протекает неравномерно, с образованием язв. Углекислый газ действует как слабый реагент; аналогичное влияние оказывает сернистый ангидрид. Из этого следует, что состав воды оказывает значительное влияние на скорость растворения цинка.

Прокатный цинк высокой чистоты растворяется в жесткой аэри­руемой воде значительно сильнее, чем в аэрируемой дистиллирован­ной воде. Продукты растворения цинка, образующиеся в электро­лите в присутствии углекислого газа, состоят из основного карбо­ната цинка, причем механизм образования основного карбоната вклю­чает две стадии. Первоначально получается окись или гидроокись цинка, которая затем взаимодействует с углекислым газом. Про­дукты коррозии цинковых протекторов, работающих в сульфатных растворах, состоят из основных сульфатов.

Применение гипса (сульфата кальция) в качестве активатора цинковых протекторов приводит к образованию растворимых про­дуктов, которые облегчают протекание тока. Без гипса образуются твердые пленки, обладающие высоким электрическим сопротивлением.

Кроме основных карбонатов, продукты растворения техниче­ского цинка содержат еще некоторые примеси таких металлов, как свинец и кадмий.

Местные гальванические элементы, возникающие в присутствии этих примесей, оказывают, очевидно, незначительное влияние на скорость растворения цинка в воде, так как в этой среде влияние со­става металла невелико.

Протекторы из цинка различной чистоты ведут себя по-разному и имеют разные КПД. Протекторы из чистого цинка имеют доста­точно высокий КПД; они работают продолжительное время при силе тока, близкой к первоначальной. Очевидно, примеси в опре­деленных условиях оказывают влияние на процесс растворения и на физические свойства продуктов растворения.

Растворение цинка находится в большой зависимости от изменения электрического сопротивления и рН почвы.

КПД цинковых протекторов около 90%. Многие примеси в цинке имеют более положительный потенциал, поэтому они явля­ются катодами по отношению к нему. Накопление на поверх­ности цинкового протектора примесей приводит к смещению электрод­ного потенциала в область более положительных значений. Кроме того, некоторые примеси, особенно железо, уменьшают силу тока. Находящиеся в электролите анионы, особенно фосфаты и карбонаты, вызывают поляризацию цинка.

Карбонаты, видимо, являются причиной уменьшения актив­ности цинковых протекторов. Можно полагать, что наличие гипса препятствует эффекту, вызываемому карбонатами.

Установлено, что продукты коррозии цинковых протекторов в большинстве случаев состоят из карбоната цинка. Это относится к протекторам, работающим в активаторе из глины и из смеси глины с гипсом.

В гипсовом активаторе продукты коррозии цинка имеют более пористую структуру, чем в активаторе, не содержащем гипс.

Добавки алюминия и марганца несколько улучшают свойства цинковых протекторов. Протекторы из сплава цинка и 5% алюминия имеют более отрицательный потенциал и больший выход по току, чем протекторы из цинка.

На поверхности протекторов, изготовленных из этого сплава, образуются более рыхлые продукты коррозии, которые оказывают небольшое сопротивление стеканию тока с протекторов.

Однако некоторые исследователи полагают, что добавки алюми­ния уменьшают КПД цинковых протекторов в результате увеличе­ния самокоррозии.

Из менее чистых сортов для протекторов может быть использован цинк марки Ц-0.

Заполнители

Повышение эффективности действия протекторной установки достигается погружением его в специальную смесь солей, называемую активатором (он же – заполнитель). Непосредственная установка протектора в грунт менее эффективна, чем в активатор.

Назначение активатора следующее:

- снижение собственной коррозии;

- уменьшение анодной поляризуемости;

- снижение сопротивления растеканию тока с протектора;

- устранение причин, способствующих образованию плотных слоев продуктов коррозии на поверхности протектора.

При использовании активатора обеспечивается стабильный во времени ток в цепи «труба-протектор» и более высокое значение КПД (срока службы протектора).

Активатор готовится путем смешения сухих солей и глины с водой до вязкой консистенции по рецептам.

Электрохимическая защита

Электрохимическая защита – эффективный способ защиты готовых изделий от электрохимической коррозии. В некоторых случаях невозможно возобновить лакокрасочное покрытие или же защитный оберточный материал, тогда целесообразно использовать электрохимическую защиту. Покрытие подземного трубопровода или же днища морского суда очень трудоемко и дорого возобновлять, иногда просто невозможно. Электрохимическая защита надежно защищает изделие от коррозии, предупреждая разрушение подземных трубопроводов, днищ судов, различных резервуаров и т.п.

Применяется электрохимическая защита в тех случаях, когда потенциал свободной коррозии находится в области интенсивного растворения основного металла либо перепассивации. Т.е. когда идет интенсивное разрушение металлоконструкции.

Суть электрохимической защиты

К готовому металлическому изделию извне подключается постоянный ток (источник постоянного тока или протектор). Электрический ток на поверхности защищаемого изделия создает катодную поляризацию электродов микрогальванических пар. Результатом этого является то, что анодные участки на поверхности металла стают катодными. А вследствии воздействия коррозионной среды идет разрушение не металла конструкции, а анода.

В зависимости от того, в какую сторону (положительную или отрицательную) смещается потенциал металла, электрохимическую защиту подразделяют на анодную и катодную.

Катодная защита от коррозии

Катодная электрохимическая защита от коррозии применяется тогда, когда защищаемый металл не склонен к пассивации. Это один из основных видов защиты металлов от коррозии. Суть катодной защиты состоит в приложении к изделию внешнего тока от отрицательного полюса, который поляризует катодные участки коррозионных элементов, приближая значение потенциала к анодным. Положительный полюс источника тока присоединяется к аноду. При этом коррозия защищаемой конструкции почти сводится к нулю. Анод же постепенно разрушается и его необходимо периодически менять.

Существует несколько вариантов катодной защиты: поляризация от внешнего источника электрического тока; уменьшение скорости протекания катодного процесса (например, деаэрация электролита); контакт с металлом, у которого потенциал свободной коррозии в данной среде более электроотрицательный (так называемая, протекторная защита).

Поляризация от внешнего источника электрического тока используется очень часто для защиты сооружений, находящихся в почве, воде (днища судов и т.д.). Кроме того данный вид коррозионной защиты применяется для цинка, олова, алюминия и его сплавов, титана, меди и ее сплавов, свинца, а также высокохромистых, углеродистых, легированных (как низко так и высоколегированных) сталей.

Внешним источником тока служат станции катодной защиты, которые состоят из выпрямителя (преобразователь), токоподвода к защищаемому сооружению, анодных заземлителей, электрода сравнения и анодного кабеля.

Катодная защита применяется как самостоятельный, так и дополнительный вид коррозионной защиты.

Главным критерием, по которому можно судить о эффективности катодной защиты, является защитный потенциал. Защитным называется потенциал, при котором скорость коррозии металла в определенных условиях окружающей среды принимает самое низкое (на сколько это возможно) значение.

В использовании катодной защиты есть свои недостатки. Одним из них является опасность перезащиты. Перезащита наблюдается при большом смещении потенциала защищаемого объекта в отрицательную сторону. При этом выделяется. В результате – разрушение защитных покрытий, водородное охрупчивание металла, коррозионное растрескивание.

Протекторная защита (применение протектора)

Разновидностью катодной защиты является протекторная. При использовании протекторной защиты к защищаемому объекту подсоединяется металл с более электроотрицательным потенциалом. При этом идет разрушение не конструкции, а протектора. Со временем протектор корродирует и его необходимо заменять на новый.

Протекторная защита эффективна в случаях, когда между протектором и окружающей средой небольшое переходное сопротивление.

Каждый протектор имеет свой радиус защитного действия, который определяется максимально возможным расстоянием, на которое можно удалить протектор без потери защитного эффекта. Применяется протекторная защита чаще всего тогда, когда невозможно или трудно и дорого подвести к конструкции ток.

Протекторы используются для защиты сооружений в нейтральных средах (морская или речная вода, воздух, почва и др.).

Для изготовления протекторов используют такие металлы: магний, цинк, железо, алюминий. Чистые металлы не выполняют в полной мере своих защитных функций, поэтому при изготовлении протекторов их дополнительно легируют.

Железные протекторы изготавливаются из углеродистых сталей либо чистого железа.

Цинковые протекторы

Цинковые протекторы содержат около 0,001 – 0,005 % свинца, меди и железа, 0,1 – 0,5 % алюминия и 0,025 – 0,15 % кадмия. Цинковые проекторы применяют для защиты изделий от морской коррозии (в соленой воде). Если цинковый протектор эксплуатировать в слабосоленой, пресной воде либо почвах – он достаточно быстро покрывается толстым слоем оксидов и гидроксидов.

Протектор магниевый

Сплавы для изготовления магниевых протекторов легируют 2 – 5 % цинка и 5 – 7 % алюминия. Количество в сплаве меди, свинца, железа, кремния, никеля не должно превышать десятых и сотых долей процента.

Протектор магниевый используют в слабосоленых, пресных водах, почвах. Протектор применяется с средах, где цинковые и алюминиевые протекторы малоэффективны. Важным аспектом является то, что протекторы из магния должны эксплуатироваться в среде с рН 9,5 – 10,5. Это объясняется высокой скоростью растворения магния и образованием на его поверхности труднорастворимых соединений.

Магниевый протектор опасен, т.к. является причиной водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания конструкций.

Алюминиевые протекторы

Алюминиевые протекторы содержат добавки, которые предотвращают образование окислов алюминия. В такие протекторы вводят до 8 % цинка, до 5 % магния и десятые-сотые доли кремния, кадмия, индия, таллия. Алюминиевые протекторы эксплуатируются в прибрежном шельфе и проточной морской воде.

Анодная защита от коррозии

Анодную электрохимическую защиту применяют для конструкций, изготовленных из титана, низколегированных нержавеющих, углеродистых сталей, железистых высоколегированных сплавов, разнородных пассивирующихся металлов. Анодная защита применяется в хорошо электропроводных коррозионных средах.

При анодной защите потенциал защищаемого металла смещается в более положительную сторону до достижения пассивного устойчивого состояния системы. Достоинствами анодной электрохимической защиты является не только очень значительное замедление скорости коррозии, но и тот факт, что в производимый продукт и среду не попадают продукты коррозии.

Анодную защиту можно реализовать несколькими способами: сместив потенциал в положительную сторону при помощи источника внешнего электрического тока или введением в коррозионную среду окислителей (или элементов в сплав), которые повышают эффективность катодного процесса на поверхности металла.

Анодная защита с применением окислителей по защитному механизму схожа с анодной поляризацией.

Если использовать пассивирующие ингибиторы с окисляющими свойствами, то защищаемая поверхность переходит в пассивное состояние под действием возникшего тока. К ним относятся бихроматы, нитраты и др. Но они достаточно сильно загрязняют окружающую технологическую среду.

При введении в сплав добавок (в основном легирование благородным металлом) реакция восстановления деполяризаторов, протекающая на катоде, проходит с меньшим перенапряжением, чем на защищаемом металле.

Если через защищаемую конструкцию пропустить электрический ток, происходит смещение потенциала в положительную сторону.

Установка для анодной электрохимической защиты от коррозии состоит из источника внешнего тока, электрода сравнения, катода и самого защищаемого объекта.

Для того, чтоб узнать, возможно ли для определенного объекта применить анодную электрохимическую защиту, снимают анодные поляризационные кривые, при помощи которых можно определить потенциал коррозии исследуемой конструкции в определенной коррозионной среде, область устойчивой пассивности и плотность тока в этой области.

Для изготовления катодов используются металлы малорастворимые, такие, как высоколегированные нержавеющие стали, тантал, никель, свинец, платина.

Чтобы анодная электрохимическая защита в определенной среде была эффективна, необходимо использовать легкопассивируемые металлы и сплавы, электрод сравнения и катод должны все время находится в растворе, качественно выполнены соединительные элементы.

Для каждого случая анодной защиты схема расположения катодов проектируется индивидуально.

Для того, чтоб анодная защита была эффективной для определенного объекта, необходимо, чтоб он отвечал некоторым требованием:

- все сварные швы должны быть выполнены качественно;

- в технологической среде материал, из которого изготовлен защищаемый объект, должен переходить в пассивное состояние;

- количество воздушных карманов и щелей должно быть минимальным;

- на конструкции не должно присутствовать заклепочных соединений;

- в защищаемом устройстве электрод сравнения и катод должны всегда находиться в растворе.

Для реализации анодной защиты в химической промышленности часто используют теплообменники и установки, имеющие цилиндрическую форму.

Электрохимическая анодная защита нержавеющих сталей применима для производственных хранилищ серной кислоты, растворов на основе аммиака, минеральных удобрений, а также всевозможных сборников, цистерн, мерников.

Анодная защита может также применяться для предотвращения коррозионного разрушения ванн химического никелирования, теплообменных установок в производстве искусственного волокна и серной кислоты.

Защитные покрытия

Защитные покрытия используют в противокоррозионной практике для изоляции металла от агрессивной среды. Чтобы обеспечить хорошую защиту от коррозии покрытие должно быть сплошным, иметь хорошую адгезию с основным металлом (сцепление), быть непроницаемым для агрессивной среды, равномерно распределятся по поверхности, обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью и твердостью (в отдельных случаях).

Защитные покрытия подразделяют на металлические и неметаллические.

Металлические защитные покрытия

Металлические защитные покрытия наносятся на поверхности (металл, стекло, керамика, пластмассы и др.) для защиты их от коррозии, придания твердости, электропроводности, износостойкости и в декоративных целях.

Защита от коррозии металлическими покрытиями осуществляется следующими способами:

- металлизация напылением - распыление на обрабатываемую поверхность расплавленного металла при помощи воздушной струи;

- горячий способ нанесения защитного покрытия - окунание изделия в ванну с расплавленным металлом;

- гальванический (электролитический) - осаждение металла или сплава из водных растворов их солей на поверхность изделия, постоянно пропуская через электролит электрический ток;

- плакирование (термомеханический) - нанесение на поверхность основного металла - другого, более устойчивого к агрессивной среде, применяя литье, совместную прокатку или деформированное плакирование (прессование, ковка);

- диффузионный - суть способа заключается в проникновении металлопокрытия в поверхностный слой основного металла под воздействием высокой температуры.

По способу защиты металлические защитные покрытия разделяют на катодные и анодные. Характер такой защиты от коррозии обусловлен тем, что металлопокрытие, по отношению к покрываемому изделию, может быть анодом или катодом (зависит от электрохимической характеристики металла покрытия).

Электрохимическую защиту от коррозии осуществляют только анодные покрытия. На поверхности защищаемого изделия, при наличии влаги в окружающей среде, образуются замкнутый гальванический элемент. Металл с более электроотрицательным электрохимическим потенциалом (покрытие) будет играть роль анода, при этом подложка - катод.

Вследствии работы гальванического элемента металл, являющийся анодом, будет под воздействием окружающей среды постепенно разрушаться, этим самым защищая изделие.

При защите от коррозии с помощью анодных покрытий важным аспектом можно считать то, что металлопокрытие будет защитным даже при наличии на нем пор и царапин. Хорошим примером анодного покрытия является цинковое покрытие не железе.

Защита от коррозии катодными покрытиями осуществляется реже, так как катодное покрытие защищает изделие лишь механически. Катодное защитное покрытие имеет более положительный электродный потенциал. При этом основной металл изделия является анодом и при подводе к нему влаги начнется интенсивное его растворение. Именно поэтому катодное покрытие должно быть сплошным, без малейших признаков пор и, желательно, равномерное, относительно большой толщины. Примером катодного покрытия служит оловянный или медный сплошный слой на железе.

Неметаллические защитные покрытия

Неметаллические защитные покрытия применяются для изоляции металлических изделий, их защиты от воздействия внешней среды (влаги), придания красивого вида.

Неметаллические защитные покрытия принято разделять на лакокрасочные, полимерные, покрытия резинами, смазками, силикатными эмалями, пастами.

Лакокрасочные защитные покрытия.

Лакокрасочные защитные покрытия широко распространены и применяются наиболее часто. В состав покрытия входят пленкообразующие вещества, наполнители, пигменты, пластификаторы, растворители, катализаторы. Покрытие такого рода не только хорошо защищает изделие в различных атмосферах, но и придают ему приятный внешний вид. Кроме того, варьируя состав и используемые материалы, получают покрытия с специфическими свойствами (токопроводящие, необрастающие, светящиеся, декоративные, с повышенной прочностью, жаростойкостью, кислотостойкостью и т.п.).

Лакокрасочные защитные покрытия в свою очередь подразделяются на лаки, краски, эмали, грунтовки, олифы и шпаклевки.

Полимерные защитные покрытия.

Полимерные защитные покрытия наносятся на поверхность изделия в виде горячей смолы с целью защиты его от внешней среды. Покрытие смолой может осуществляться окунанием, газотермическим или вихревым напылением, а также обычной кистью. После остывания на поверхности образуется защитная сплошная пленка из полимера, толщиной обычно пару миллиметров.

Наиболее распространенные полимеры, применяющиеся с целью защиты от коррозии, это: полистирол, полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, фторопласты, эпоксидные смолы и др.

Полимерные защитные покрытия могут быть применены в качестве футеровки химических аппаратов, резервуаров (емкостей).

Защитное покрытие резинами (гуммирование).

Защитное покрытие резинами (гуммирование) осуществляется резиной и эбонитом для защиты от воздействия внешней среды различных емкостей, трубопроводов, цистерн, химических аппаратов, резервуаров для перевозки и хранения химических веществ. Защитное покрытие может быть сформировано из мягкой (при воздействии на эксплуатируемое изделие ударных, растягивающих, колебательных и других видов нагрузок) или твердой резины (которые работают при постоянной температуре, не подвергаются нагрузкам). Мягкость резины контролируется добавками серы. Мягкая содержит от 2 до 4% серы, а твердая - 30 - 50%. Для получения прочного защитного покрытия часто применяют как резину, так и эбонит.

Наносят резину на предварительно очищенную и обезжиренную поверхность, сначала обрабатывая ее резиновым клеем, потом валиком выдавливая скопившийся воздух. Заключительным этапом в гуммировании является вулканизация.

Резиновые защитные покрытия являются хорошими диэлектриками, обладают высокой стойкостью во многих кислотах и щелочах. Разрушающие действие на резиновые покрытия оказывают лишь сильные окислители. Резиновые покрытия, как и все полимерные материалы, обладают негативным свойством - со временем стареть.

Защитные покрытия силикатными эмалями.

Защитные покрытия силикатными эмалями применяют для изделий, работающих при высоких температурах, давлениях, в очень агрессивных, химически активных средах. Формирование эмалевого защитного покрытия возможно двумя способами: сухим (наносят порошок) или мокрым (пасту).

Процесс нанесения эмали ведется в несколько этапов. Сначала наносят непосредственно на изделие порошкообразную грунтовую эмаль, которая улучшает адгезию, а также уменьшает термические и механические напряжения. Проводят спекание при температуре 880 - 920 о С. Далее покрывают слоем покровной эмали, потом спекают при температуре 840 - 860 о С.

Если требуется нанести несколько слоев силикатной эмали, вышеописанные операции проводят поочередно еще несколько раз. Обычно изделия из чугуна покрывают двумя - тремя слоями силикатной эмали, общей толщиной до 1 миллиметра.

Основным недостатком эмалевого защитного покрытия можно назвать низкую прочность при воздействии ударных нагрузок, т.е. растрескивание, скалывание.

Защитные покрытия из паст и смазок.

Защитные покрытия из паст и смазок используют в основном при длительном хранении и перевозке металлоизделий. Пасты или смазки наносятся на поверхность защищаемого объекта распылением, кистью или специальным тампоном. После высыхания образуется защитная пленка. Она ограждает изделия от воздействия влаги, пыли, различных газообразных веществ.

Смазки изготовляются на основе минеральных масел (вазелинового, машинного) с примесью воскообразных веществ (воска, парафина, мыла). Если изделие стальное, то в смазку дополнительно вводят немного щелочи. Очень популярна смазка, в состав которой входит 5% парафина и 95% петролатума (смесь парафинов, масел, церезинов).

Из суспензий минеральных восков (церезина) или парафина и каучука, а также полиизобутилена в уайт-спирите изготавливают защитные покрытия на основе паст.

Защитные покрытия из паст и смазок очень эффективны, но главным их недостатком можно считать то, что целостность образовавшейся пленки очень легко нарушить.

Электрохимические методы защиты от коррозии - катодная защита

Суть этих методов заключается в том, чтобы при возможном возник­новении гальванических элементов защищаемый металл был заведомо ка­тодом, так как разрушается, окисляясь, всегда металл - анод. Для создания подобных гальванических элементов используют более активный металл либо внешний источник постоянного тока.

Использование более активных металлов

К одному из вариантов этой защиты можно отнести рассмотренные выше «анодные» металлические покрытия после их частичного наруше­ния.

Если более активный металл вводят в объём защищаемого металла, образуются устойчивые к коррозии сплавы. В частности, устойчивыми к коррозии сталями являются хромистые стали. При содержании хрома более 20% они обладают высокой стойкостью против всех видов коррозии, их часто называют нержавеющими. Хром имеет меньший потенциал, чем же­лезо, поэтому железо в возможно образующихся на поверхности микро­гальванических элементах будет катодом.

Активные металлы (имеющие меньшие значения потенциалов) или со­держащие их сплавы используют в качестве протекторов. Металл-протектор присоединяют к поверхности защищаемой металлической кон­струкции. Обычно используют несколько протекторов, присоединяемых к одной конструкции. Образуются гальванические элементы, в которых за­щищаемый металл является катодом, а протектор - анодом. Для защиты стальных изделий в качестве протекторов используют цинк или сплавы на основе магния (рис. 17).


а) - опора ЛЭП; б) - корпус корабля

Рисунок 17 - Схема протекторной защиты

Рассмотрим защиту стальной конструкции с помощью магниевых про­текторов в воде с рН = 7. Магний является анодом (Е° Mg/Mg 2+ = -2,38 В,

Е°Fe/ Fe2+ = -0,44В), и разрушается, а сталь является катодом, и на её по­верхности происходит восстановление кислорода. Процесс восстановления не затрагивает и не изменяет металл катода, поэтому до тех пор, пока про­текторы полностью не разрушатся, коррозия на поверхности стальной кон­струкции происходить не будет.

Анод: Mg│Fe° - 2 ё → Fe 2+

Катод: Fe│О2 +2Н2О + 4 ё → 4(ОН) -

Протекторную защиту обычно применяют как дополнительный способ защиты в сочетании с различными гидроизолирующими покрытиями.

Электрозащита от коррозии

Сущность электрозащиты (защита наложенным постоянным током) состоит в том, что защищаемая металлическая конструкция подключается к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока (выпрями­теля, генератора), поэтому она будет катодом, а анодом служит вспомога­тельный электрод, обычно сталь, чугун (или металл), который присоединя­ется к положительному полюсу источника тока (рис. 18).


А) - защищаемый стальной трубопровод (катод);

Б) - вспомогательный электрод (анод)

Рисунок 18 - Схема электрозащиты

Электрозащиту чаще всего используют для массивных стальных кон­струкций, находящихся в воде или в почве, обычно в комбинации с изоли­рующими покрытиями. Преимущества электрозащиты заключаются в лег­кости регулирования подаваемого тока и поддержания необходимого за-

щитного потенциала, а также в возможности применения в качестве анодов дешёвых чёрных металлов или металлолома.

При катодной электрозащите на поверхности защищаемого металла (катод) в зависимости от значения рН и состава среды происходит восста­новление ионов водорода или молекул кислорода, а вспомогательный ме­талл (анод) разрушается.

Рассмотрим реакции при электрозащите стального трубопровода, на­ходящегося в нейтральной среде (металл вспомогательного электрода обо­значен символом Me).

Анод: Me│ Me 0 - 2 ё →Ме 2+

Читайте также: