Технология и основные методы катодной защиты от коррозии

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).

Борьба с коррозией металла

Выбор оптимального способа защиты металлических конструкций, а также продукции из того или иного вида металла должен делаться в соответствии с рядом определенных факторов.

К таким факторам относят:

• эксплуатационные особенности металла или металлической конструкции;
• характеристики самого металла или металлической конструкции;
• климатические условия соответствующего региона и тому подобное.

Ниже приведены основные направления способов защиты металлов от коррозионных процессов, которые широко используются в промышленности, производстве, а также в быту:

• конструкционный способ;
• пассивный способ;
• активный способ.

В первом случае для предотвращения коррозии для конструкционных материалов выбирают цветные металлы, нержавеющие стали, кортеновские стали. А при помощи специальных клеев, герметиков и резиновых прокладок проектировщики стараются обеспечить максимальную защиту от попадания коррозионной среды в металлические конструкции.

Пассивный метод защиты металлов от коррозии предусматривает нанесение определенного покрытия (эмаль, краска, лак и другое) в целях препятствования началу коррозийного процесса. Данный метод является достаточно доступным для широкого круга людей.

Но здесь нужно понимать, что различные покрытия обеспечивают только лишь преграду для коррозионного процесса, но не исключают его появления. Поэтому очень важно при таком методе защиты металлов от коррозии тщательно подготовить и обработать поверхность для окрашивания, максимально равномерно наносить то или иное покрытие, соблюдать определенную толщину слоя, прочность и следить за отсутствием воздушных полостей.

Если говорить о покрытиях, то наиболее распространенными на сегодняшний день являются: краска без удаления ржавчины и жидкий пластик.

Применение краски по ржавчине – наиболее популярный способ защиты для металла, так как она выполняет ряд основных функций: преобразование ржавчины, совмещение в себе антикоррозионного грунта и верхней эмали.

Эмаль пользуется большой популярностью благодаря износостойкости и защите от атмосферных воздействий. Краску можно наносить как на чистую, так и на поврежденную коррозией поверхность.

Способ защиты металлов с использованием жидкого пластика является относительно новым, эффективным и очень простым. Его применяют для покраски трубопроводов, решеток, металлической мебели и прочих конструкций. Жидкий пластик можно наносить на любую неочищенную поверхность при любом уровне коррозии, при этом даже можно не проводить предварительную чистку автомобильных деталей или любых других конструкций.

Серебро это, благородный драгоценный металл, но у изделий из серебра есть большой недостаток – они достаточно быстро покрываются налетом и чернотой. Узнайте, все секреты чистки серебра в домашних условиях и никогда не сталкивайтесь с этой проблемой.

Даже на гладильной поверхности утюгов с антипригарным покрытием со временем может образоваться нагар. Здесь описано, как почистить паровой утюг, так чтоб не повредить тефлоновому покрытию.

Ваш эмалированный чайник покрылся толстым слоем накипи? С помощью простых домашних чистящих средств можно легко очистить эмалированный чайник от накипи, подробнее тут.

Главным преимуществом данного метода является возможность использования любых синтетических средств влажной очистки.

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.

Коррозионное растрескивание под влиянием напряжения

Если на металлическую поверхность одновременно воздействуют внешние негативные факторы и высокое напряжение от ЛЭП, создающее растягивающие усилия, то происходит образование ржавчины. Согласно проведенным исследованиям получила свое место водородно-коррозионная новая теория.

Трещины небольшого размера образовываются при насыщении трубы водородом, которое после обеспечивает увеличение давления изнутри до показателей, выше положенного эквивалента связи атомов и кристаллов.

После того как трещина раскроется, происходит ускорение процесса ржавление металла, которое обеспечивается грунтовым электролитом. В итоге под влиянием механических воздействий металл подвергается медленному разрушению.

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

Катодная защита трубопроводов от коррозии осуществляется по двум стандартным схемам. С помощью катодной поляризации и с помощью создания внешних станций. Защита трубопроводов должна быть направлена в первую очередь на снижения скорости разрушения материала трубы. Делается это с помощью уменьшения электрического потенциала трубы в сравнении с электрическим потенциалом грунта:

• Электрический потенциал большинства современных труб составляет приблизительно 0,8-0,9 вольт.
• Экспериментальным путем было показано, что основные породы грунта обладают потенциалом приблизительно 0,5-0,6 вольт.

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.

Виды коррозии

Коррозия имеет широкое распространение и разнообразие тех условий и сред, в которых она может начаться. Поэтому конкретной классификации различных случаев коррозии пока нет.

В таблице представлена обширная типизация коррозии, существующая на сегодняшний день.

Огромное количество видов коррозии повлекло за собой появление столь же большого количества методов и приемов борьбы с каждым из них. Но вопрос этот не закрыт и продолжаются работы по созданию новых методов, которые будут более действенными.

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

Также стоит обратить внимание, что метод катодной защиты обычно комбинируется с другими техниками:

• 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.