Паршин А.Г., Пахомов В.С., Лебедев Д.Л. - Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии, страница 6

Таким образом, коррозия металла в растворе электроли­та может быть замедлена с помощью контакта с более элек­троотрицательным металлом (анодный контакт) или ускорена вследствие контакта с более электроположительным металлом (катодный контакт). Сказанное справедливо для случаев кор­розии металлов в активном состоянии. Если возможна пасси­вация основного металла, то катодный контакт может способ­ствовать наступлению пассивного состояния основного ме­талла и уменьшению его скорости коррозии. С другой сторо­ны, для пассивного металла анодный контакт опасен, так как может привести к переходу из пассивного состояния в актив­ное и увеличению скорости коррозии.

Контактная коррозия является причиной ускоренного разрушения конструкций, смонтированных из разнородных металлов.

Эффективность ускоряющего действия катодного кон­такта на коррозию основного металла в условиях активного растворения зависит от величины равновесного электродного потенциала катодного металла в данных условиях и затруд­ненности (перенапряжения) анодного и катодного процессов на катодном металле, а также от соотношения поверхностей катодного и основного (анодного) металлов (S₂ : S₁). Контакт­ная коррозия тем интенсивней, чем более положителен равно­весный потенциал катодного металла, чем выше перенапря­жение его анодного растворения и чем меньше перенапряже­ние восстановления окислителя на его поверхности, а также чем больше отношение поверхностей катодного и основного металлов.

4.2.2. Катодная электрохимическая защита

На изменении скорости растворения металла при его ка­тодной поляризации (смещение потенциала в отрицательную сторону) основана электрохимическая катодная защита ме­таллов от коррозии. Осуществить катодную защиту можно двумя способами.

Один из них заключается в присоединении к защищае­мому металлическому изделию какого-либо другого металла, имеющего в данной агрессивной среде потенциал более отри­цательный, чем потенциал защищаемого металла. Присоеди­няемый металл работает анодом в гальванической паре с за­щищаемым металлом и ускоренно растворяется. Этот способ называется "протекторной защитой", а присоединяемый элек­трод - протектором. Материалом для протекторов в случае защиты конструкций из нелегированной стали часто служит цинк или сплавы на основе алюминия и магния. В процессе защиты протекторы постепенно растворяются, поэтому их периодически заменяют новыми.

Второй способ электрохимической катодной защиты со­стоит в катодной поляризации защищаемого изделия от по­стороннего (внешнего) источника постоянного тока (выпря­мителя, аккумуляторной батареи и т.п.), так называемая, "ка­тодная защита внешним током" или "электрозащита". При этом защищаемый металл подсоединяют к отрицательному полюсу внешнего источника, а к положительному полюсу присоединяют погруженный в агрессивную среду вспомога­тельный электрод из электропроводящего материала. В каче­стве материалов вспомогательных электродов применяют та­кие, которые или совсем не растворяются при анодной поля­ризации в данных условиях (графит), или растворяются с очень малыми скоростями из-за образования защитных слоев (Рb). На вспомогательных нерастворимых электродах в вод­ных растворах протекает анодная реакция выделения из воды газообразного кислорода.

Эффективность катодной электрохимической защиты принято характеризовать двумя показателями: защитным эф­фектом

(4.3)

и коэффициентом защитного действия

(4.4)

где z - защитный эффект, %;

K₀ - массовый показатель коррозии металла без за­щиты, г/(м²ч);

K₁ - массовый показатель коррозии металла при при­менении катодной защиты, гДм^ч);

k_з - коэффициент защитного действия, г/А;

g₀ - массовые потери металла без катодной защиты, г/м²;

g₁ - массовые потери металла при катодной защите, г/м²;

i_з - плотность защитного катодного тока, А/м².

Катодной электрохимической защитой можно добиться полного прекращения коррозии металла. Это происходит, ес­ли при присоединении протектора к металлу или при пропус­кании через него постоянного тока от внешнего источника электродный потенциал металла достигнет значения его обра­тимого (равновесного) потенциала (для сплава - равновесного потенциала наиболее электроотрицательной анодной состав­ляющей сплава). Для стали таким потенциалом является рав­новесный потенциал железа в данных условиях.

Электрохимическую защиту применяют в случае корро­зии металлов, находящихся в хорошо проводящих средах - растворах электролитов, поскольку, чем выше электропровод­ность среды, тем больше смещается потенциал металла в от­рицательную сторону при его катодной поляризации.

В случае протекторной защиты радиус действия протек­тора, т.е. протяженность металлической конструкции, на ко­торую распространяется защитное действие присоединенного протектора, при прочих равных условиях тем больше, чем выше электропроводность среды. Например, в морской воде он достигает нескольких метров, а в водопроводной ограни­чен несколькими сантиметрами.

При катодной защите внешним током выбор оптималь­ной плотности катодного тока производят с учетом высокого защитного эффекта при достаточно высоком коэффициенте защитного действия, т.е. значительного уменьшения коррози­онных потерь на каждую единицу плотности защитного ка­тодного тока.

Если при электрозащите плотность защитного тока можно регулировать в широких пределах, то при защите с по­мощью протектора степень ее зависит от его электрохимиче­ских характеристик: начального электродного потенциала, анодной поляризуемости (степени изменения потенциала при протекании внешнего тока), величины поверхности.

Катодная электрохимическая защита - эффективный и экономически выгодный метод защиты от коррозии металли­ческих конструкций в морской воде, почве и других нейтраль­ных агрессивных средах. В кислых средах металлы характе­ризуются малой катодной поляризуемостью (малым смещени­ем потенциала в отрицательную сторону при протекании ка­тодного тока). В таких условиях значительная часть защитно­го катодного тока тратится непроизводительно на катодное восстановление ионов водорода. В результате коэффициент защитного действия невелик. Применение катодной защиты в таких средах ограничено.

Катодная защита находит широкое применение в про­мышленности для защиты подземных трубопроводов, комму­никаций и резервуаров, морских судов и металлоконструкций, эксплуатирующихся в морской воде, а также технологическо­го оборудования - конденсаторов, теплопроводников.

4.3. Проведение работы

Работа состоит из трех частей:

1. Определение скорости коррозии стали Ст3 в 5%-ном растворе Н₂S0₄ при отсутствии контакта и при контакте ее с другими металлами (цинк, медь), а также электро­химических характеристик гальванических макропар - электродных потенциалов металлов в контакте и без контакта, силы тока работающих пар.

2. Изучение коррозии стали Ст3 и определение ее элек­тродного потенциала в 5%-ном растворе серной кислоты при катодной защите внешним током.

3. Определение радиуса действия цинкового протектора при коррозии стали Ст3 в средах с разной электропро­водностью (дистиллированная вода, 1%-ный раствор хлористого натрия).

Вторая часть работы проводится одновременно с первой, а третья - после того, как будут поставлены на испытания об­разцы в первой и второй частях работы - в перерывах между замерами электродных потенциалов.

4.3.1. Коррозия металлов в контакте

а) Объекты исследования и аппаратура:

1. Образцы стали Ст3 (3 шт.); меди (1 шт.); цинка (1 шт.).

2. 5%-ный раствор Н₂S0₄.

3. Стаканы (500 см³) и крышки с клеммами для крепле­ния образцов (3 шт.).

4. Высокоомный милливольтметр ЭВ - 74 (1 шт.).

5. Миллиамперметр на 75 тА (1 шт.).

6. Соединительные провода с контактными зажимами (2шт.).

7. Штангенциркуль (1 шт.).

8. Наждачная бумага, вата, фильтровальная бумага, аце­тон.

б) Методика проведения экспериментов

Определяют размеры стальных образцов и рассчитыва­ют полную площадь их поверхности без ножки. Зачищают образцы наждачной бумагой; обезжиривают, протирая ватным тампоном, смоченным ацетоном; высушивают 5 мин на возду­хе и взвешивают на аналитических весах с точностью до 0.0002 г. Правила взвешивания на аналитических весах при­ведены в приложении 1. Медный и цинковый образцы зачи­щают, протирают ватой, смоченной ацетоном, но не взвеши­вают.

Подготовленные образцы закрепляют с помощью клемм в крышках стаканов: в первый стакан помещают только стальной образец, во второй - стальной и цинковый, в третий - стальной и медный.

Во все стаканы наливают 5%-ный раствор серной кисло­ты на одинаковом уровне и помещают образцы в стаканы так, чтобы уровень раствора проходил по ножке образцов. Во вто­ром и третьем стаканах замыкают клеммы с образцами прово­дами, создавая макропары Fe - Zn и Fe - Си, и фиксируют время начала испытания, которые проводят в течение часа, измеряя электродные потенциалы всех металлов через 10, 25 и 45 мин после начала опыта. Для этого поочередно подключа­ют образцы к милливольтметру, помещая кончик электроли­тического ключа от хлорсеребряного электрода сравнения в соответствующий стакан с образцом. Порядок измерения по­тенциалов описан в инструкции о работе с милливольтметром (см. приложение 4).

Перед окончанием опыта отсоединяют закорачивающий проводник, замыкают пары Fe - Zn и Fe - Си на миллиампер­метр и измеряют силу тока соответствующей пары. Затем оп­ределяют электродные потенциалы всех металлов в отсутст­вие контакта и оценивают интенсивность газовыделения на всех электродах при контакте с другими металлами и без него. Оценивая газовыделение можно применять условные показа­тели: "отсутствует", "очень слабое", "слабое", "среднее", "сильное", "очень сильное".

После окончания опыта (по истечении часа) все сталь­ные образцы вынимают из раствора, удаляют продукты корро­зии намыленным ершиком, промывают водой, протирают фильтровальной бумагой, высушивают 5 минут на воздухе и взвешивают на аналитических весах.

Медный и цинковый образцы вынимают из раствора, промывают водой и высушивают фильтровальной бумагой. Все растворы, кроме того, в котором находилась медь, слива­ют через воронку обратно в бутыль. Стаканы ополаскивают водой.

Результаты наблюдений и измерений заносят в табл. 4.1. и 4.2.

4.3.2. Защита внешним катодным током

а) Объекты исследования и аппаратура

1. Образцы стали Ст3 (1 шт.) и свинца (1 шт.).

2. 5%-ный раствор H^SO.f.

3. Стакан (500 см³) и крышка с клеммами для крепления образцов (1 шт.).

4. Милливольтметр типа ЭВ - 74 (1 шт.).

5. Миллиамперметр на ΙΑ (1 шт.).

6. Источник постоянного тока (выпрямитель) (1 шт.).

7. Движковый реостат (1 шт.).

8. Ключ-рубильник, соединительные провода.

9. Штангенциркуль.

10. Наждачная бумага, вата, фильтровальная бумага, ацетон.

б) Методика проведения экспериментов