Протекторная защита металлов от коррозии

Обновлено: 05.07.2024

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:

В случае ручного управления изменение параметров напряжения регулируется оператором. На физическом уровне регуляция осуществляется путем переключения работы трансформатора. Регулируется работа обмотки, что позволяет менять параметры электрического тока.
В случае автоматического управления изменение параметров напряжения регулируется самим устройством на основе параметров, которые когда-то задал оператор. На физическом уровне управление осуществляется с помощью специальных полупроводников-тиристоров. Они включаются или выключаются при отклонении параметров электрического тока от заданных параметров.

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

Все основные детали автомобиля покрываются специальными красками и мастиками. Они создают на поверхности металла защитный слой. Этот слой обладает электрической нейтральностью. Поэтому при контакте с электрически активными веществами или ионами ржавление не происходит.
Некоторые элементы автомобиля могут покрываться защитными катодными пластинами, которые также минимизируют риск появления ржавчины. Пластинами обычно покрывают подвижные части, которые растрескиваются и повреждаются чаще всего. Это днище автомобиля, арки задних колес, фары, внутренние поверхности дверей и так далее.

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.

Недорого и эффективно — протекторная защита от ржавчины

Несмотря на повсеместное применение пластика, металлические трубопроводы по-прежнему широко применяются для транспортировки кислот, щелочей, газов, нефтепродуктов и пр. Такие сооружения со временем начинают приходить в негодность из-за атмосферной, химической и других видов коррозии. Несмотря на то, что это естественный процесс, его, тем не менее, можно замедлить. Для этого и существует протекторная защита металла от коррозии.

Причины повреждения металлических конструкций

Химические реакции. Разрушение происходит при взаимодействии металла с различными химическими соединениями (кислотами, щелочами и пр.). Возникающая как продукт химической реакции ржавчина последовательно разъедает трубопровод.
Электрохимические процессы. Этот вид коррозии один из самых агрессивных. Появляется, если труба или судно находится в электролите, где образовываются катоды и аноды. Возникающая ржа быстро распространяется, повреждая самый толстый металл.
Атмосферные явления. При взаимодействии металла с водой, паром, воздухом выделяется оксид железа, который и разрушает сооружение.

Перед планированием работ по защите от коррозии необходимо провести оценку факторов, влияющих на металлическую поверхность.

Защита металла от коррозии

обработка химическими составами;
покрытие стенок защитными материалами;
предупреждение блуждающих токов;
организация катода или анода.

Пассивные действия. Во время монтажа трубопровода до прилежащей почвы оставляют некоторый зазор. Он предупреждает попадание грунтовых вод с примесями на металлическую поверхность. Трубопровод покрывают специальными составами, которые защищают металл от негативного воздействия грунта. Затем наносят специальные химические вещества, образующие защитную пленку на металлической поверхности.
Активная защита. Создается электродренажная система, защищающая трубопровод от блуждающих токов. Металлическую поверхность от разрушения защищают созданием анода или катода.

Что такое протекторная защита?

Протекторная защита — вариант антикоррозийной обработки, которая предполагает контакт металлической предохраняемой поверхности с протектором – ингибитором, более активным металлом. Под воздействием воздуха ингибитор предохраняет основное изделие (трубопровод, систему водоснабжения или отопления, корпус корабля и пр.) от разрушения.

Протекторная защита металлов от коррозии является оптимальной при отсутствии возможности проведения специальных электрических линий для создания эффективной катодной защиты перед электрохимической ржавчиной либо при нецелесообразности такого метода. Применять протекторную защиту целесообразно на малогабаритных объектах либо в случаях, когда поверхность обрабатываемого сооружения покрыта изоляционным материалом.

Протектор может полностью предохранить от повреждения основной объект в случае, если показатель переходного сопротивления между объектом и окружающей средой незначительный.

Но протекторная защита от коррозии имеет положительный эффект только на каком-то расстоянии, то есть каждый из видов протекторов имеет свой радиус антикоррозийного действия. Это максимальное расстояние протектора от предохраняемого объекта.

Для антикоррозийной защиты применяют установки, которые состоят из одного или нескольких протекторов, соединительных кабелей и контрольно-измерительных участков. Если есть необходимость, то в схему включают шунты, регулирующие резисторы, поляризованные элементы. Монтируют установки ниже уровня промерзания грунта (не менее 1 метра). Располагают протектор на расстоянии 3 — 7 метров от защищаемого сооружения. Более близкое может спровоцировать повреждение изоляционного слоя солями растворяющегося ингибитора.

Менее активный металл восстанавливается.
Протектор окисляется, защищая основное сооружение от коррозии.

Так как во время активного взаимодействия с окружающей средой и трубопроводом протектор полностью «растворяется» или просто теряет контакт с предохраняемым сооружением, то защитный механизм периодически необходимо восстанавливать.

Особенности протекторной защиты

Учитывая физико-химические особенности такой защиты металлических сооружений, можно сделать вывод о нецелесообразности применения протектора в случае, если конструкция эксплуатируется в кислых средах. Протекторная защита рекомендована к применению, если сооружение находится в нейтральной среде (грунт, вода, воздух и пр.).

Чтобы защитить железный трубопровод, в качестве протектора имеет смысл использовать кадмий, хром, цинк, магний (более активные металлы). Но и при их использовании существует ряд нюансов.

Например, чистый магний имеет высокую скорость ржавления, чистый цинк из-за крупнозернистой структуры растворяется неравномерно, алюминий быстро покрывается оксидной пленкой. Чтобы предотвратить негативные явления, в чистое вещество, которое будет служить протектором, вводят легирующие составляющие. Фактически протектором выступает не чистый металл, а его сплав с другими веществами.

Магниевая защита

Чаще всего в качестве защиты применяют сплавы магния. Легирующими компонентами состава выступают алюминий (максимум 7 %), цинк (до 5 %), также вводят медь, свинец и никель, но их суммарная доля не превышает сотой части состава. В качестве протектора такие составы могут применяться в средах с показателем кислотности не выше 10,5.

Даже в составе сплава магний быстро растворяется, а потом на его верхнем слое появляются труднорастворимые соединения. Магниевые сплавы имеют существенный недостаток — после нанесения они могут спровоцировать растрескивание металлических изделий, способствовать возникновению повышенной водородной хрупкости.

Цинковая защита

Альтернативой магниевому сплаву для защиты конструкций, расположенных в соленой воде, выступают цинковые составы. Легирующими компонентами для цинка становятся кадмий (максимальный показатель 0,15 %), алюминий (менее 0,5 %) и незначительное количество железа, свинца и меди (суммарно до 0,005 %). От влияния морской воды такой протектор будет идеальным, но в нейтральных средах протекторы из цинкового сплава быстро покроются оксидами и гидроксидами, сведя на нет весь антикоррозийный комплекс.

Цинковые сплавы выступают как протекторы от коррозии, обеспечивая максимальную взрыво- и пожарную безопасность. Этими составами целесообразно обрабатывать трубопроводы для горючих и взрывоопасных веществ, например, газа. Еще один «балл» в свой актив такие составы получают за экологическую безопасность – при анодном растворении не образуется загрязняющих веществ. Поэтому цинковые композиции часто применяются для коррозийной защиты нефтепроводов, а также для транспортирующих нефть танкеров и судов.

От воздействия проточной соленой воды обычно применяют алюминиевые составы. В сплав также вводят цинк (до 8 %), магний (до 5 %) и индий с кремнием , таллием и кадмием с незначительной долей (до 0,02 %). Добавки предупреждают возникновение окислов на алюминии. Также алюминиевые сплавы пригодны в условиях, где используется магниевая защита.

Обработка агрессивных жидкостей

Повреждение металлических конструкций происходит как снаружи, так и внутри. Даже жидкость с нейтральным уровнем кислотности (вода) может быстро разрушить трубопровод, если в ее составе содержатся бикарбонаты, карбонаты, кислород, которые являются причиной возникновения ржавчины. Обычная очистка внутренних поверхностей в таких сооружениях невозможна. Оптимальным выходом будет предварительное введение в жидкость соды, карбоната натрия или кальция. Такой обработкой воды можно снизить агрессивность транспортируемой жидкости.

Подземные емкости, изготовленные из цинковых сплавов, защищают путем введения в транспортируемую или хранящуюся среду силикатов, фосфатов или поликарбонатов. В результате химической реакции на цинковой поверхности появляется тонкая пленка, предупреждающая развитие ржавчины.

Преимущества и недостатки протекторной защиты

простота, автономность и экономичность благодаря отсутствию источника тока и использованию магниевых, алюминиевых или цинковых сплавов;
возможность формирования одиночных или групповых установок;
возможность применения протекторной защиты, как для проектируемых объектов, так и для уже эксплуатируемых конструкций;
организация защиты практически в любых условиях, где невозможно или нецелесообразно сооружать источники тока;
при правильном использовании система может работать достаточно долго без всякого обслуживания;
безопасность и возможность применения на взрывоопасных объектах (ввиду малости напряжений).

Ограниченность применения способа в плохо проводящих ток средах.
Безвозвратные потери протектора.
Возможность загрязнения прилегающих территорий.

Как увеличить эффективность протекторов?

Чаще всего протекторные композиции применяются совместно с лакокрасочными составами, имеющими антикоррозийные свойства. Лакокрасочная защита самостоятельно не дает нужного эффекта, но при сочетании с протектором:

позволяет устранить изъяны покрытия металлического сооружения, которые возникают в процессе эксплуатации (вспучивание, отслоение, набухание металла, появление трещин и пр.);
снижает расход протекторных составов, увеличивая срок службы (при довольно высокой стоимости защитных сплавов это значимый эффект);
обеспечивает равномерное распределение защитного тока по поверхности металлического трубопровода.

Конечно, на эксплуатируемое судно или резервуар нанести лакокрасочный состав довольно сложно. В этом случае лучше отказаться от его применения, а использовать только протекторы.

Резюме

Практически все эффективные методы защиты от коррозии требуют расхода электрического тока. Протекторный способ позволяет предупредить ржавчину простым нанесением дополнительного слоя защитного сплава на трубу.

Протекторная защита изделий из металла от коррозии – эффективно и надежно

Протекторная защита трубопроводов и других металлических изделий от коррозии представляет собой один из вариантов предохранения разнообразных конструкций от негативных коррозионных явлений.

1 Суть протекторной защиты металлов от коррозии

Данная антикоррозионная защита подразумевает присоединение к предохраняемой металлической поверхности специального протектора – металла с более электроотрицательными характеристиками. При растворении под действием воздуха такой протектор начинает выполнять свою функцию, которая состоит в предохранении основного изделия от разрушения.

По сути, протекторная защита трубопроводов и иных магистралей от коррозии является одним из видов катодной электрохимической методики.

Описываемый способ антикоррозионной обработки оптимален для ситуаций, когда у предприятия нет возможности возвести специальные электрические линии для организации эффективной катодной защиты от электрохимической коррозии либо их строительство признается экономически нецелесообразным. Протектор полностью выполняет свои задачи при условии, что величина переходного сопротивления между средой, окружающей обрабатываемый объект, и этим самым объектом невелика.

Протекторная защита изделий из металла от коррозии является результативной лишь на каком-либо конкретном расстоянии. Для того, чтобы установить данное расстояние, вводится понятие радиуса антикоррозионного действия используемого протектора. Он указывает на наибольшее удаление металла-защитника от предохраняемой конструкции.

Сущность коррозии металлов такова, что менее активный из них при взаимодействии станет присоединять к своим ионам электроны более активного, которые будут производиться активным компонентом системы. В результате происходит сразу два одновременных процесса:

восстановление менее активного металла (он является катодом);
окисление менее активного металла-анода, благодаря чему и происходит антикоррозионная защита газопровода, иной магистральной сети, какой-либо металлоконструкции.

Через определенное время действие протектора заканчивается (из-за утраты контакта с предохраняемым металлом либо при полном растворении "защитника"), после чего потребуется выполнить его замену.

2 Антикоррозионная защита при помощи протекторов – особенности методики

Применение протекторной защиты от коррозии трубопроводов и конструкций из металла в кислых средах не имеет смысла, что обусловлено повышенным темпом саморастворения протектора. Она рекомендуется для использования в нейтральных средах, будь то обычный грунт, речная или морская вода.

По отношению к железу более активными являются следующие металлы – магний, хром, кадмий, цинк и некоторые другие. Теоретически именно их следует применять для защиты газопровода либо другой конструкции. Но здесь имеется ряд нюансов, которые обуславливают технологическую нецелесообразность использования чистых металлов в качестве "защитников".

Магний в чистом виде, например, характеризуется повышенной скоростью собственного ржавления, на алюминии очень быстро появляется оксидная толстая пленка, а цинк без каких-либо примесей ввиду своей дендритной крупнозернистой структуры имеет свойство растворяться крайне неравномерно. Чтобы нивелировать все эти негативные явления, в чистые металлы, предназначенные для защиты трубопроводов и металлоконструкций от коррозии, добавляют легирующие компоненты. Другими словами, антикоррозионная защита, например, газопровода, подземного резервуара в большинстве случаев выполняется при помощи различных сплавов.

Часто используются сплавы на основе магния. В них вводят алюминий (от 5 до 7 процентов) и цинк (от 2 до 5 процентов), а также незначительные количества (буквально сотые либо десятые доли) никеля, свинца, меди. Защита от коррозии магниевыми сплавами применяется тогда, когда конструкция из металла (элементы трубопроводов, газопровода и так далее) функционирует в средах с показателем рН не более 10,5 (обычный грунт, водоемы с пресной или слабосоленой водой).

Такое ограничение связано с тем, что магний сначала очень быстро растворяется, а затем на его поверхности формируются соединения, характеризуемые затрудненным растворением. Стоит сказать отдельно об опасности использования магниевых композиций для защиты от коррозии – они могут стать причиной растрескивания изделий из металла, а также их охрупчивания (водородного).

Для металлоконструкций, установленных в соленой воде, газопровода, проложенного по морскому дну, рекомендуется использование протекторов на базе цинка, которые содержат:

кадмий (от 0,025 до 0,15 %);
алюминий (не более 0,5 %);
медь, свинец, железо (от 0,001 до 0,005 % в сумме).

Протекторная защита трубопроводов в морской воде цинковыми составами будет гарантированно эффективной и длительной. Если же такие протекторы применять в грунте или пресных водоемах, они практически мгновенно покрываются гидроксидами и оксидами, что сводит на нет все антикоррозионные мероприятия.

А вот в соленой проточной воде, на прибрежном морском шельфе обычно эксплуатируются алюминиевые защитники от коррозии. В них содержится таллий, кадмий, кремний, индий (суммарно до 0,02 %), магний (не более 5 %) и цинк (не более 8 %). Данный состав не дает возможности появляться на алюминии окислам. Протекторная защита из алюминиевых составов используется в тех же условиях, что и из магниевых.

Цинковые протекторы обычно применяются для антикоррозионной защиты тех металлоконструкций, для которых должна быть обеспечена максимальная пожарная и взрывобезопасность (в частности, разнообразных трубопроводов для транспортировки потенциально горючих материалов, например, газопровода). Также цинковые защитные композиции не создают при анодном растворении загрязняющих соединений. За счет этого им практически нет замены, когда речь идет о защите от коррозии трубопроводов, по которым перемещают нефть, а также нефтеналивных и грузовых судов и танкеров.

3 Совместное применение лакокрасочных составов и протекторов

Нередко защита нефте- либо газопровода, той или иной конструкции из металла от коррозионных проявлений выполняется комбинацией протекторной и лакокрасочной защиты. Последняя по своей сути причисляется к пассивному методу предохранения от коррозии. По-настоящему высоких результатов она не обеспечивает, но зато позволяет в сочетании с протектором:

нивелировать возможные изъяны покрытия трубопроводов и металлических конструкций, которые возникают по естественным причинам (отслаивание металла, его вспучивание, набухание, появление трещин и так далее), а также при их использовании (нет такого газопровода или танкера, покрытие которого в процессе эксплуатации не претерпевает определенных изменений);
снизить (иногда весьма существенно) расход достаточно дорогостоящих протекторных материалов, повысив при этом их эксплуатационный срок;
обеспечить распределение по металлической поверхности трубопроводов защитного тока максимально однородно (равномерно).

Добавим, что лакокрасочные слои во многих случаях довольно-таки сложно нанести на некоторые участки уже функционирующего резервуара, газопровода или водного судна. Тогда лучше, конечно же, не усложнять процесс и применять исключительно протекторы.

Электрохимическая защита – надежная методика в борьбе с коррозией

Электрохимическая защита конструкций из металла от коррозионных проявлений базируется на наложении на предохраняемое изделие отрицательного потенциала. Высокий уровень эффективности она демонстрирует в тех случаях, когда металлоконструкции подвергаются активному электрохимическому разрушению.

1 Суть антикоррозионной электрохимической защиты

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

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

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

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

2 Катодная электрозащита – как она действует?

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

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

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

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

3 Как работает анодная методика?

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

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

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

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

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

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

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

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

4 Особенности протекторной защиты стали и металла

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

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

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

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

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

5 Как выполняется катодная схема?

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

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

Элементарные способы электрохимической защиты кузова автомобиля:

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

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

6 Нюансы антикоррозионной защиты трубопроводов

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

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

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

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

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

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

Особенности протекторной защиты металлов от коррозии

Протекторная защита — это один из возможных вариантов защиты конструкционных материалов трубопроводов от коррозии. Применяется, прежде всего, на газопроводах и других магистралях.

Сущность протекторной защиты

Протекторная защита представляет собой использование специального вещества — ингибитора, который является металлом с повышенными электроотрицательными качествами. Под воздействием воздуха протектор растворяется, в результате чего основной металл сохраняется, несмотря на воздействие коррозийных факторов. Протекторная защита — одна из разновидностей катодного электрохимического метода.

Данный вариант антикоррозийных покрытий особенно часто применяется, когда предприятие стеснено в своих возможностях по организации катодной защиты от коррозийных процессов электрохимического характера. Например, если финансовые или технологические возможности предприятия не позволяют построить линии электропередач.

Схема протекторной защиты трубопровода

Протектор-ингибитор эффективен, когда показатель переходного сопротивления между защищаемым объектом, и средой вокруг него, не является значительной. Высокая результативность протектора возможна лишь на определенной дистанции. Чтобы выявить это расстояние, применяется определение радиуса антикоррозийного действия применяемого протектора. Данное понятие показывает максимальное удаление защищающего металла от охраняемой поверхности.

Суть коррозийных процессов сводится к тому, что наименее активный метал в период взаимодействия, привлекает к собственным ионам электроны более активного металла. Таким образом, в одно и то же время осуществляется сразу два процесса:

восстановительные процессы в металле с меньшей активностью (в катоде);
окислительные процессы металла анода с минимальной активностью, за счет чего и обеспечивается защита трубопровода (или другой стальной конструкции) от коррозии.

Спустя некоторое время эффективность протектора падает (в связи с потерей контакта с защищаемым металлом или же из-за растворения защищающего компонента). По этой причине возникает потребность в замене протектора.

Особенности метода

Протекторы для защиты от коррозийных процессов в условиях кислых сред лишены смысла. В таких средах растворение протектора происходит опережающими темпами. Методика рекомендуется для применения только в нейтральных средах.

В сравнении со сталью, большей активностью обладают такие металлы, как хром, цинк, магний, кадмий, а также, некоторые иные. В теории именно перечисленные металлы нужно использовать для защиты трубопроводов и других металлоконструкций. Однако тут есть ряд особенностей, зная которые, можно обосновать технологическую бессмысленность применения чистых металлов в качестве защиты.

К примеру, для магния характерна высокая скорость развития коррозии, на алюминии стремительно образовывается толстая оксидная пленка, а цинк растворяется очень неравномерно из-за своей особой крупнозернистой структуры. Чтобы свести на нет подобные отрицательные свойства чистых металлов, в них добавляют легирующие элементы. Иначе выражаясь, защита газопроводов и других металлических конструкций осуществляется за счет использования всевозможных сплавов.

Нередко применяются магниевые сплавы. Помимо основного компонента — магния — в их составе имеется алюминий (5-7%) и цинк (2-5%). Кроме того, добавляются небольшие количества никеля, меди и свинца. Магниевые сплавы актуальны для защиты от коррозии в условиях сред, где показатель pH не превышает 10,5 единиц (традиционный грунт, пресные и слабосоленые водоемы). Данный ограничивающий показатель связан с быстрой растворяемостью магния на первом этапе и дальнейшим появлением труднорастворимых соединений.

Обратите внимание! Магниевые сплавы часто влекут трещины в металлических изделиях и повышают их водородную хрупкость.

Для конструкций из металлов расположенных в соленой воде (например, подводном морском трубопроводе), следует применять протекторы, в основе которых находится цинк. Такие сплавы также содержат:

алюминий (до 0,5%);
кадмий (до 0,15%);
медь и свинец (суммарно до 0,005%).

В водной соленой среде защита металлов от коррозии с помощью сплавов на основе цинка будет оптимальным вариантом. Однако в пресных водоемах и на обычном грунте такие протекторы очень быстро обрастают оксидами и гидроксидами, в результате чего антикоррозионные мероприятия теряют смысл.

Протекторы на основе цинка чаще используются для защиты от коррозии тех металлических конструкций, где технологические условия требуют наивысшей степени противопожарной безопасности и взрывобезопасности. Примером востребованности таких сплавов являются газопроводы и трубопроводы для транспортировки горючих жидкостей.

Кроме того, цинковые составы, в результате анодного растворения, не образуют загрязняющих веществ. Поэтому такие сплавы практически безальтернативны, когда нужно защитить трубопровод для транспортировки нефти или металлоконструкции в танкерных судах.

В условиях соленой проточной воды на прибрежном шельфе часто применяются алюминиевые сплавы. Такие составы включают кадмий, таллий, индий, кремний (в сумме — до 0,02%), а также магний (до 5%) и цинк (до 8%). Протекторные свойства алюминиевых составов близки со свойствами магниевых сплавов.

Комбинация протекторов и красок

Часто возникает необходимость защитить газопровод от коррозии не только протектором, но лакокрасочным материалом. Краска считается пассивным способом защиты от коррозионных процессов и действительно эффективна лишь, когда сочетается с применением протектора.

Такая методика сочетания позволяет:

Уменьшить отрицательное воздействие потенциальных изъянов покрытия металлоконструкций (отслаивание, набухание, растрескивание, вспучивание и тому подобное). Такие изъяны имеются не только в результате заводского брака, но и в связи с природными факторами.
Уменьшить (порой на весьма значимую величину) расход дорогих протекторов, при этом увеличив их срок эксплуатации.
Сделать распределение по металлу защитного слоя более равномерным.

Также стоит отметить, что лакокрасочные составы очень часто непросто наносить на определенные поверхности уже работающего газопровода, танкера или какой-то другой металлоконструкции. В таких случаях придется обойтись только защитным протектором.

Читайте также: