Электрохимические методы защиты металлов от коррозии
сокому перенапряжению (идет более
полого), будет определять в основном скорость процесса. Так, при большом
перенапряжении реакции (2) получим случай так называемого катодного
контроля, когда кинетика определяется скоростью катодной реакции; при этом
[pic] близок к [pic]. При большом перенапряжении реакции (1) получим
анодный контроль; при этом [pic]близок к [pic] (рис.3).
[pic]
Рис. 4. Коррозионные диаграммы, отвечающие катодному контролю (А) и
анодному контролю (Б).
Рассматривая рис.1 и 3, мы видим, что окислитель, восстанавливаясь,
заставляет потенциал металла сдвинуться от равновесного в сторону более
положительных значений. Можно, сказать, что металл поляризован окислителем,
если под поляризацией понимать навязывание электроду потенциала, отличного
от равновесного. И не совсем понятно, почему в современной литературе,
особенно коррозионной, окислитель часто называют деполяризатором. Так,
коррозию в кислотах, когда металл окисляется ионами Н+, навязывающими ему
потенциал более положительный, чем равновесный, называют «коррозией с
водородной деполяризацией», коррозию при окислении металла кислородом –
«коррозией с водородной деполяризацией». Мы останавливаемся на этом мелком
вопросе потому, что название «деполяризатор» вместо «окислитель» искажает
химическую природу явления. Окислитель поляризует металл, сообщая ему сверх
равновесного потенциала некоторую величину [pic], вызывающую окисление, а
не снижает [pic], т.е. не деполяризует металл.
Другие способы изображения коррозионных диаграмм
Применяемый в этой главе способ рассмотрения процессов коррозии при
помощи поляризационных диаграмм весьма распространен. В том виде, в котором
мы его использовали выше, он был предложен К. Вагнером и В. Траудом и
подробно разработан А. М. Шультиным Способ этот характеризуется тем, что
анодный и катодный токи, выражающие скорость противоположных по химическому
смыслу процессов, откладываются в противоположные стороны от оси абсцисс.
По оси абсцисс откладывается потенциал.
Однако весьма распространен и другой метод, предложенный Ю. Р.
Эвансом, при котором ток, измеряющий скорость окисления и восстановления,
откладывается в одном направлении и принимается за аргумент (абсцисса).
Потенциал (ордината) откладывается так, что иногда вверх растет
положительное значение, а иногда – отрицательное
Легко убедиться, что все способы изображения коррозионных диаграмм по
существу равноценны. Дальше мы будем использовать различные способы
изображения, для того чтобы научиться разбираться и в тех, и в других.
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 ? или
степень защиты Z. Коэффициент торможения показывает, во сколько раз
уменьшается скорость коррозии в результате применения данного способа
защиты
[pic]
где [pic]и [pic]- скорость коррозии до и после защиты. Степень защиты
указывает, насколько полно удалось подавить коррозию благодаря применению
этого метода:
[pic]
или
[pic]
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
[pic]соблюдалось равенство
[pic],
то при более отрицательном значении [pic]это равенство нарушается:
[pic]
причем
[pic].
[pic]
Рис. 5. Поляризационная диаграмма коррозионного процесса.
Уменьшение скорости анодной реакции при катодной поляризации
эквивалентно уменьшению скорости коррозии. Коэффициент торможения при
выбранном потенциале (/ (см.рис.4) будет равен двум
[pic]=[pic]=[pic]=2,
а степень защиты достигает 50%
[pic] =[pic][pic]=[pic].
Внешний ток [pic], необходимый для смещения потенциала до значения [pic],
представляет собой разницу между катодным и анодным токами
[pic]
(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 [pic], скорость коррозии делается
равной нулю ([pic]), коэффициент торможения – бесконечности, а степень
защиты 100%. Плотность тока, обеспечивающая полную катодную защиту,
называется защитным током [pic]. 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
соче
| |  скачать работу |
Электрохимические методы защиты металлов от коррозии |
