Анодная защита. Использование пассивности в практике защиты от коррозии.

Методы защиты металлов от коррозии.

 

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью. Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, либо уменьшая скорость, либо прекращая его полностью. Коррозионные диаграммы, наиболее полно характеризующие коррозионный процесс, должны отражать и те изменения в ходе протекания, какие наблюдаются в условиях защиты. Коррозионные диаграммы можно использовать, поэтому при разработке возможных путей предохранения металлов от коррозии. Они служат основой для выяснения принципиальных особенностей того или иного метода. В связи с этим при рассмотрении существующих методов защиты поляризационные диаграммы будут использованы в их несколько упрощенном виде (4). На таких диаграммах постулируется линейная зависимость между плотностью и потенциалом каждой частной реакции. Это упрощение оказывается вполне допустимым при качественной оценке особенностей большинства методов

 

Эффективность защиты выражают через коэффициент торможения γ или степень защиты Z. Коэффициент торможения показывает, во сколько раз уменьшается скорость коррозии в результате применения данного способа защиты

где и - скорость коррозии до и после защиты. Степень защиты указывает, насколько полно удалось подавить коррозию благодаря применению этого метода:

Или

 

Катодная защита

Из всех методов защиты основанных на изменении электрохимических свойств металла под действием поляризующего тока, наибольшее распространение получила защита металлов при наложении на них катодной поляризации (катодная защита). При смещении потенциала металла в сторону более электроотрицательных значений (по сравнению с величиной стационарного потенциала коррозии) скорость катодной реакции увеличивается, а скорость анодной падает (см. рис. 4). Если при стационарном потенциале соблюдалось равенство

то при более отрицательном значении это равенство нарушается:

причем

 

Рис. 5. Поляризационная диаграмма коррозионного процесса.

 

Уменьшение скорости анодной реакции при катодной поляризации эквивалентно уменьшению скорости коррозии. Коэффициент торможения при выбранном потенциале j^/ (см.рис.4) будет равен двум

=> = =2,

а степень защиты достигает 50%

= = .

Внешний ток , необходимый для смещения потенциала до значения , представляет собой разницу между катодным и анодным токами

(его величина на рис.4 выражена прямой ав). По мере увеличения внешнего тока потенциал смещается в более отрицательную сторону, и скорость коррозии должна непрерывно падать. Когда потенциал корродирующего металла достигает равновесного потенциала анодного процесса скорость коррозии делается равной нулю коэффициент торможения – бесконечности, а степень защиты 100%. Плотность тока, обеспечивающая полную катодную защиту, называется защитным током .Его величине на рис.4 соответствует отрезок cd. Величина защитного тока не зависит от особенностей протекания данной анодной реакции, в частности от величины сопровождающей ее поляризации, а целиком определяется катодной поляризационной кривой. Так, например, при переходе от водородной деполяризации к кислородной сила защитного тока уменьшается и становится равной предельному диффузному току (отрезок cd ^/ на рис.4).

Защита металла катодной поляризацией применяется для повышения стойкости металлических сооружений в условиях подземной (почвенной) и морской коррозии, а также при контакте металлов с агрессивными химическими средами. Она является экономически оправданной в тех случаях, когда коррозионная среда обладает достаточной электропроводностью, и потери напряжения (связанные с протеканием защитного тока), а следовательно, и расход электроэнергии сравнительно невелик. Катодная поляризация защищаемого металла достигается либо наложением тока от внешнего источника (катодная защита), либо созданием макрогальванической пары с менее благородным металлом (обычно применяются алюминий, магний, цинк и их сплавы). Он играет здесь роль анода и растворяется со скоростью, достаточной для создания в системе электрического тока необходимой силы (протекторная защита). Растворимый анод при протекторной защите часто называют “жертвенным анодом”.

Катодная защита обычно связана с защитой черных металлов, так как из них изготавливается подавляющая часть объектов работающих под землей и при погружении в воду, например трубопроводы, свайные основания, пирсы, эстакады, суда и др. В качестве материала для расходуемых анодов-протекторов во всем мире широко применяется магний. Обычно он используется в виде сплавов с содержанием 6% алюминия, 3% цинка и 0,2% марганца; эти добавки предотвращают образование пленок, которые снижают скорость растворения металла. Выход защитного тока всегда меньше 100%, так как магний корродирует и на нем выделяется водород. Применяется также алюминий, легированный 5% цинка, но разность потенциалов с железом для сплава значительно меньше, чем для магниевого сплава. Она близка к разности потенциалов для металлического цинка, который также применяется для защиты при условии, что путем соответствующего легирования на анодах предотвращается пленкообразование, связанное с обычным для цинка загрязнением примесями железа Выбор материала для анодов - сложная задача. В почвах или других средах низкой проводимости необходима большая разность потенциалов, поскольку падение iR между электродами весьма велико, в то время как в средах высокой проводимости возможна более экономичная для использования малая разность потенциалов. Важными переменными являются расположение электродов, рассеивающая способность среды, т. е. ее способность обеспечить одинаковую плотность тока на всех участках защищаемой поверхности, а также поляризационные характеристики электродов. Если электроды погружены в почву, которая по каким – либо причинам неприемлема, например агрессивна по отношению к анодам, то обычно практикуется окружать последние ложем из нейтрального пористого проводящего материала, называемого засыпкой.

Применение для катодной защиты метода приложения тока облегчает регулирование системы и часто дешевле, чем использование анодов – протекторов, которые, конечно, нуждаются в регулярных заменах.

На практике катодная защита редко применяется без дополнительных мероприятий. Требуемый для полной защиты ток обычно бывает чрезмерно велик, и помимо дорогостоящих электрических установок для его обеспечения следует иметь в виду, что такой ток часто будет вызывать вредный побочный эффект, например чрезмерное защелачивание. Поэтому катодная защита применяется в сочетании с некоторыми видами покрытий. Требуемый при этом ток мал и служит только для защиты обнаженных участков поверхности металла.

 

Явление пассивности.

 

Давно известно, что скорость коррозии многих металлов часто значительно меньше в растворах сильных окислителей, чем в растворах окислителей более слабых. Сюда относятся такие металлы, как железо, хром, никель, титан, цирконий, алюминий и многие другие. Резкое уменьшение скорости коррозии (на несколько порядков) в сильных окислителях, казалось бы противоречащее термодинамическим свойствам металла и окислителя, называется пассивацией, а состояние металла – пассивным.

Некоторые металлы находятся в пассивном (или близком к пассивному) состоянии даже в таких слабых окислителях, как вода. Это дает возможность практически использовать в качестве конструкционных материалов магний, титан, алюминий и многие другие.

М.В. Ломоносов был, по-видимому, первым исследователем, обратившим внимание на пассивность железа в концентрированной азотной кислоте. Железу посвящены наблюдения М. Фарадея и Х. Шенбейна. М. Фарадей сделал удивительную по научной дальновидности попытку объяснить пассивность железа образованием на поверхности слоя (пленки) окисла или же существованием поверхностных атомов металла в таком состоянии, которое равноценно окислению.

Очень большое практическое значение пассивности, часто определяющее возможность получения сплавов, химически стойких в агрессивных средах, вызвало огромное количество исследований, посвященных изучению пассивного состояния. Если отбросить некоторые несущественные различия, высказываемые на основании сопоставления экспериментальных данных, сказав, что пассивное состояние обусловлено образованием очень тонкой пленки окисла, представляющего собой отдельную фазу, или слоя хемисорбированного кислорода, а может быть и других частиц. Ограничимся представлением о некотором кислородном «барьере», образующемся на поверхности металла в подходящем окислителе и сильно тормозящем анодный процесс.

 

 

Рис. 6. Полная анодная поляризационная кривая: I – активное растворение; II – переход в пассивное состояние; III – пассивность; IV – перепассивация; V – выделение кислорода.

 

На рис.5 приведена анодная кривая, которую мы подробно рассмотрим. Активное растворение продолжается до потенциала, отвечающего точке b. При этом ток равен критическому току пассивации , а потенциал обозначен символом . На участке bс (в интервале потенциалов - происходит пассивация. и можно назвать потенциалом и током полной (наилучшей) запассивированности. Это название не вполне точно, так как на реальных поляризационных кривых линия cd редко бывает строго горизонтальной; но сравнительно небольшими вариациями тока в интервале cd часто можно пренебречь. Потенциал и ток являются важными характеристиками электрода, показывающими, насколько легко металл переходит в пассивное состояние. Чем отрицательнее и чем меньше , тем легче наступает пассивность. Интервал потенциалов отвечает условиям, в которых сохраняется пассивное состояние. Чем больше , тем в более широких пределах изменение потенциала будет сохранять пассивное состояние. Выше потенциала скорость окисления снова увеличивается (участок cе) и металл оказывается в области перепассивации или в транспассивном состоянии. Иными словами, отклонение значения потенциала от равновесного значения называется перепассивацией. При еще более высоком потенциале становится возможным процесс окисления ионов гидроксила и выделение кислорода: 4ОН^-→ 2Н₂О + О₂ + 4 е. Это соответствует участку fg. Если этот последний процесс определяет кинетику анодной реакции, то угловой коэффициент прямой fg соответствует окислению ионов ОН^-.

При изменение потенциала в обратном направлении кривая, вообще говоря, имеет такой же ход. В таком случае будет потенциалом начала потери пассивности (депассивации). Его иногда называют фладе-потенциало по имени исследователя, изучавшего депассивацию железа.

В настоящее время вопрос сводится к изучению природы защитных образований на металле, в которых обычно участвует кислород.

При более высоком потенциале становится возможным процесс выделения кислорода:

2Н₂О – 4 е = 2О_адс + 4Н⁺

О₂ = 2О_адс

>>

Между адсорбированным кислородом и металлом возникают химические связи (хемисорбция), иначе говоря на поверхности металла возникает хемисорбированная пленка:

 

Из-за неоднородности поверхности пленка может где-то образовываться, а где-то нет. Там, где есть пленка, не происходит окисление металла.

 

Анодная защита. Использование пассивности в практике защиты от коррозии.

 

Многие металлы находятся в пассивном состоянии в некоторых агрессивных средах. Хром, никель, титан, цирконий легко переходят в пассивное состояние и устойчиво его сохраняют. Часто легирование металла, менее склонного к пассивации, металлом, пассивирующем легче, приводит к образованию достаточно хорошо пассивирующихся сплавов. Примером могут служить разновидности сплавов Fe­Cr, представляющие собой различные нержавеющие и кислотоупорные стали, стойкие, например, в пресной воде, атмосфере, азотной кислоте и т.д. Для практического использования пассивности нужно такое сочетание свойств металла и среды, при котором последняя обеспечивает значение стационарного потенциала, лежащего в области . Подобное использование пассивности в технике защиты от коррозии известно давно и имеет огромное практическое значение.

Но в последнее время возникло новое направление защиты металлов в таких окислителях, которые сами по себе не способны вызывать пассивность. Известно, что смещение потенциала активного металла в отрицательную сторону должно уменьшить скорость коррозии. Если потенциал становится отрицательнее равновесного в данной среде, то скорость коррозии должна стать равной нулю (катодная защита, применение протекторов). Очевидно, что подобным же образом, но за счет анодной поляризации от внешнего источника электрической энергии можно перевести способный к этому металл в пассивное состояние и тем уменьшить скорость коррозии на несколько порядков. Расход электрической энергии не должен быть велик, так как сила тока в области вообще весьма мала.

Существуют требования, которым должна удовлетворять система, чтобы к ней можно было применить анодную защиту. Прежде всего, нужно надежно знать анодную поляризационную кривую для выбранного металла в данной агрессивной среде. Чем выше , тем большая сила тока потребуется для перевода металла в пассивное состояние; чем меньше , тем меньший расход энергии потребуется для поддержания пассивности; чем шире диапазон тем большие колебания потенциала можно допустить, т.е. тем легче поддерживать металл в пассивном состоянии. Нужна уверенность в том, что в области металл корродирует равномерно. В противном случае, даже при малой величине , возможно образование язв и сквозного разъедания стенки изделия. Форма защищаемой поверхности может быть довольно сложной, что затрудняет поддержание одинакового значения потенциала на всей поверхности; в этом отношении большая величина особенно желательна. Конечно, требуется и достаточно хорошая электропроводность среды.

Применение анодной защиты целесообразно в сильно агрессивных средах, например в химической промышленности. При наличие поверхности раздела жидкость-газ необходимо иметь в виду, что анодная защита не может распространяться на поверхность металла в газовой среде, что впрочем типично и для катодной зашиты. Если газовая фаза тоже агрессивна или имеется неспокойная поверхность раздела, что приводит к разбрызгиванию жидкости и оседанию капель ее на металл выше поверхности раздела, если происходит периодическое смачивание стенки изделия в определенной зоне, то приходится ставить вопрос об иных способах защиты поверхности выше постоянного уровня жидкости.

Анодная защита может осуществляться несколькими способами.

1. Простое наложение постоянной э.д.с. от постороннего источника электрической энергии. Положительный полюс подключается к защищаемому изделию, а около его поверхности помещают катоды сравнительно малого размера. Они размещаются в таком количестве и на таком расстоянии от защищаемой поверхности, чтобы обеспечить по возможности равномерную анодную поляризацию изделия. Этот способ применяется в том случае, если достаточно велик и нет опасности, при некоторой неизбежной неравномерности распределения потенциала анода, активации или перепассивации, т.е. выхода за пределы .

Таким способом можно защищать изделия из титана или циркония в серной кислоте. Нужно только помнить, что для пассивации сначала потребуется пропускание тока большей силы, что связано с переводом потенциала за . Для начального периода целесообразно иметь дополнительный источник энергии. Следует учитывать также большую поляризацию катодов, плотность тока на которых велика вследствие их малых размеров. Однако, если область пассивного состояния велика, то изменение потенциала катода даже на несколько десятых вольта не представляет опасности.

Периодическое включение и выключение тока защиты, когда изделие уже занассивировано. При включение анодного тока потенциал изделия смещается в отрицательную сторону, причем может произойти депассивация. Но поскольку иногда это происходит довольно медленно, простая автоматика может обеспечить включение и выключение защитного тока в нужное время. Когда потенциал дойдет до величины , т.е. до начала перепассивации, ток выключается; когда потенциал сдвинется в отрицательную сторону до (начало активации), ток снова включается. Смещение потенциала в катодную сторону происходит тем медленнее, чем меньше . Чем ближе был потенциал к величине , тем медленнее он смещается в отрицательную сторону (в направлении ) при выключении тока. Например, для хрома в 0,1н. растворе H₂SO₄ при 75⁰ С, если выключение тока произошло при =0,35 в, активация наступит через 2 ч; выключение тока при =0,6 в вызывает активацию через 5 ч; выключение же при =1,05 в увеличивает срок начала активации более чем до 127 ч. Столь большое время, необходимое для депассивации, позволяет делать значительные перерывы в подаче тока. Тогда одной и той же установкой можно обслужить несколько объектов.

Зависимость времени запассивации от потенциала включения легко объяснима при помощи концепции фазового окисла (образуется более толстый слой окисла, растворение которого требует больше времени). Труднее объяснить это явление десорбцией пассивирующего кислорода. Конечно, с ростом положительного значения потенциала прочность связи в адсорбционном слое должна увеличиваться. Но при включении тока разряд двойного слоя происходит сравнительно быстро, хотя адсорбционный слой, возможно, сохраняется долго.

3. Если область пассивного состояния () мала, то необходимо применение потенциостата, поддерживающего заданную величину потенциала (относительно некоторого электрода сравнения) в узких границах. Потенциостат должен быть способен давать большую силу тока.

В настоящее время уже имеется ряд установок для анодной защиты, осуществленных в промышленном масштабе. Защищаются изделия и из обычной углеродистой стали. При анодной защите не только увеличивается срок службы аппаратуры, но также уменьшается загрязнение агрессивной среды продуктами коррозии. Например, в олеуме углеродистая сталь корродирует очень медленно и в этом смысле не нуждается в защите. Но в сосудах для хранения этого продукта происходит загрязнение его железом. Так, без анодной защиты в одной из промышленных установок содержание железа в олеуме составляло ≈ 0,12 %. После наложения защиты концентрация железа снизилась до ≈ 0,004 %, что соответствует его содержанию в исходном продукте. Загрязнение продуктов химической промышленности примесями соединений металлов, являющееся следствием коррозии аппаратуры, во многих случаях весьма нежелательно и даже недопустимо.

Однако, использование анодной защиты связано со значительными трудностями. В то время как катодная защита может употребляться для защиты многих металлов, погруженных в любую электропроводящую среду, например твердую или жидкую, анодная защита применяется только для защиты целых секций химических установок, которые изготовлены из металла, способного пассивироваться в рабочей среде. Именно это и ограничивает ее применение. Кроме того, анодная защита потенциально опасна, поскольку при перерывах подачи тока без немедленного восстановления защиты на рассматриваемом участке начнется очень быстрое растворение, так как разрыв в пленке образует путь с низким сопротивлением в условиях анодной поляризации металла.

Использование анодной защиты требует тщательного проектирования химической установки. Последняя должна иметь такую систему контроля, чтобы любая потеря защиты немедленно привлекала внимание оператора. Для этого может быть достаточным только локальное повышение анодного тока, однако в наихудшем случае может потребоваться немедленное опорожнение всей установки.

Анодная защита не обеспечивает стойкости в присутствии агрессивных ионов. Так, хлоридные ионы разрушают пассивную пленку, а потому их концентрация должна поддерживаться низкой, за исключением защиты титана, который может пассивироваться в хлористоводородной кислоте. В условиях анодной защиты имеет место хорошая рассеивающая способность электролитов и поэтому для поддержания ее установленной защиты требуется сравнительно небольшое количество электродов. Однако при проектировании установок анодной защиты следует учитывать, что в условиях, предшествующих пассивации, рассеивающая способность хуже.

Анодная защита потребляет очень мало энергии и может применяться для защиты обычных конструкционных металлов, способных пассивироваться, например углеродистой и нержавеющей стали, во многих средах. Эта защита легко подвергается контролю и измерениям и не требует дорогостоящей обработки поверхности металла, так как использует самопроизвольный эффект реакции между стенками емкостей и их содержимым. Способ изящен, и его применение, по-видимому, будет расширяться, как только будут преодолены сложности измерения и контроля.