Гальванический анод , или жертвенный анод , является основным компонентом системы гальванической катодной защиты , используемой для защиты подземных или погруженных в воду металлических конструкций от коррозии .
Они изготовлены из металлического сплава с более «активным» напряжением (более отрицательный восстановительный потенциал /более положительный электродный потенциал ), чем металл конструкции. Разница потенциалов между двумя металлами означает, что гальванический анод подвергается коррозии, фактически принося его в жертву ради защиты конструкции.
Коротко говоря, коррозия — это химическая реакция, протекающая по электрохимическому механизму ( окислительно-восстановительная реакция ). [1] Во время коррозии железа или стали происходят две реакции: окисление (уравнение 1 ), когда электроны покидают металл (и металл растворяется, т.е. происходит фактическая потеря металла) и восстановление, когда электроны используются для преобразования кислорода и воду на гидроксид-ионы (уравнение 2 ): [2]
В большинстве сред ионы гидроксида и ионы железа объединяются, образуя гидроксид железа , который в конечном итоге становится знакомой бурой ржавчиной: [3]
По мере коррозии происходят реакции окисления и восстановления, и на поверхности металла образуются электрохимические ячейки, так что некоторые области становятся анодными (окисление), а некоторые - катодными (восстановление). Электроны перетекают из анодных областей в электролит по мере коррозии металла. И наоборот, когда электроны перетекают из электролита в катодные области, скорость коррозии снижается. [4] (Поток электронов направлен в сторону, противоположную потоку электрического тока .)
Поскольку металл продолжает корродировать, локальные потенциалы на поверхности металла будут меняться, а анодные и катодные области будут меняться и перемещаться. В результате у черных металлов по всей поверхности образуется общий налет ржавчины, который со временем съедает весь металл. Это скорее упрощенный взгляд на процесс коррозии, поскольку он может протекать в нескольких различных формах. [5]
Предотвращение коррозии с помощью катодной защиты (CP) осуществляется путем введения другого металла (гальванического анода) с гораздо более анодной поверхностью, так что весь ток будет течь от введенного анода, а защищаемый металл становится катодным по сравнению с анодом. . Это эффективно останавливает реакции окисления на поверхности металла, передавая их на гальванический анод, которым можно будет пожертвовать в пользу защищаемой конструкции. [6] Проще говоря, это использует преимущества относительно низкой стабильности металлов магния, алюминия или цинка; они растворяются вместо железа, потому что их связь слабее по сравнению с железом, которое прочно связано через свои частично заполненные d-орбитали.
Чтобы эта защита работала, должен существовать путь электронов между анодом и защищаемым металлом (например, провод или прямой контакт), а также путь ионов между окислителем (например, кислородом и водой или влажной почвой) и анод, окислитель и защищаемый металл, образуя таким образом замкнутый контур; поэтому простое соединение куска активного металла, такого как цинк, с менее активным металлом, таким как мягкая сталь, на воздухе (плохой ионный проводник) не обеспечит никакой защиты.
В качестве гальванических анодов используются три основных металла: магний , алюминий и цинк . Все они доступны в виде блоков, стержней, пластин или экструдированной ленты. Каждый материал имеет преимущества и недостатки.
Магний имеет самый отрицательный электропотенциал из трех (см. гальванический ряд ) и больше подходит для территорий, где удельное сопротивление электролита (почвы или воды) выше. Обычно это береговые трубопроводы и другие подземные сооружения, хотя его применяют и на лодках в пресной воде и в водонагревателях. В некоторых случаях отрицательный потенциал магния может оказаться недостатком: если потенциал защищаемого металла становится слишком отрицательным, восстановление воды или сольватированных протонов может привести к выделению атомов водорода на поверхности катода, например, согласно
что приводит к водородному охрупчиванию или отслоению покрытия. [7] [8] Если это вызывает беспокойство, можно использовать цинковые аноды. Сплав алюминия, цинка и олова под названием KA90 обычно используется в морских судах и водонагревателях. [9]
Цинк и алюминий обычно используются в соленой воде, где удельное сопротивление обычно ниже, а магний относительно быстро растворяется в результате реакции с водой с выделением водорода (самокрозия). Типичное применение - корпуса кораблей и лодок, морские трубопроводы и производственные платформы, морские двигатели с охлаждением соленой водой, гребные винты и рули небольших лодок, а также внутренняя поверхность резервуаров для хранения.
Цинк считается надежным материалом, но не пригоден для использования при более высоких температурах, так как имеет тенденцию к пассивации (образующийся оксидный слой защищает от дальнейшего окисления); если это произойдет, ток может перестать течь и анод перестанет работать. [10] Цинк имеет относительно низкое напряжение возбуждения, что означает, что в почве или воде с более высоким удельным сопротивлением он не сможет обеспечить достаточный ток. Однако в некоторых обстоятельствах — например, когда существует риск водородного охрупчивания — это более низкое напряжение является предпочтительным, поскольку позволяет избежать чрезмерной защиты. [11]
Алюминиевые аноды имеют ряд преимуществ, таких как меньший вес и гораздо более высокая емкость, чем цинковые. Однако их электрохимическое поведение не считается таким надежным, как цинк, и при их использовании необходимо проявлять большую осторожность. Алюминиевые аноды пассивируются там, где концентрация хлоридов ниже 1446 частей на миллион . [12]
Одним из недостатков алюминия является то, что при ударе о ржавую поверхность может возникнуть большая термитная искра, поэтому его использование ограничено в резервуарах, где может быть взрывоопасная атмосфера и существует риск падения анода. [8]
Поскольку работа гальванического анода основана на разнице электропотенциалов между анодом и катодом, практически любой металл можно использовать для защиты другого, при условии, что существует достаточная разница потенциалов. Например, для защиты меди можно использовать железные аноды. [13]
_-_dry_dock_Pearl_Harbor_(2).jpg/1280px-USS_Greeneville_(SSN_772)_-_dry_dock_Pearl_Harbor_(2).jpg)
При проектировании системы CP с гальваническим анодом следует учитывать множество факторов, в том числе тип конструкции, удельное сопротивление электролита (почвы или воды), в котором она будет работать, тип покрытия и срок службы.
Первичный расчет заключается в том, сколько анодного материала потребуется для защиты конструкции в течение необходимого времени. Слишком мало материала может обеспечить защиту на некоторое время, но его необходимо регулярно заменять. Слишком много материала обеспечит защиту за ненужные затраты. Масса в кг определяется уравнением ( 5 ). [14]
Величина требуемого тока напрямую соответствует площади поверхности металла, контактирующей с почвой или водой, поэтому нанесение покрытия резко снижает массу требуемого анодного материала. Чем лучше покрытие, тем меньше требуется анодного материала.
Как только необходимая масса материала известна, выбирается конкретный тип анода. Аноды разной формы будут иметь разное сопротивление относительно земли, которое определяет, какой ток может быть произведен, поэтому сопротивление анода рассчитывается так, чтобы обеспечить достаточный ток. Если сопротивление анода слишком велико, либо выбирают анод другой формы или размера, либо необходимо использовать большее количество анодов. [14]
Затем планируется расположение анодов таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение тока по всей конструкции. Например, если конкретная конструкция показывает, что трубопроводу длиной 10 километров (6,2 мили) требуется 10 анодов, то примерно один анод на километр будет более эффективным, чем размещение всех 10 анодов на одном конце или в центре.
Поскольку используемые анодные материалы обычно дороже железа, использование этого метода для защиты конструкций из черных металлов может оказаться не особенно экономически эффективным. Однако следует также учитывать затраты, понесенные на ремонт корродированного корпуса или замену стального трубопровода или резервуара, поскольку их структурная целостность была нарушена коррозией.
Однако существует предел экономической эффективности гальванической системы. На более крупных конструкциях, таких как длинные трубопроводы, может потребоваться такое количество анодов, что будет экономически выгоднее установить катодную защиту по наложенному току .
Основной метод заключается в изготовлении жертвенных анодов методом литья. Однако можно выделить два метода литья. [15]
Широко распространен процесс литья под высоким давлением расходных анодов. Это полностью автоматизированный машинный процесс. Для того чтобы производственный процесс проходил надежно и воспроизводимо, требуется модификация обрабатываемого сплава жертвенного анода. Альтернативно для производства расходных анодов используется процесс гравитационного литья. Этот процесс выполняется вручную или частично автоматизировано. Сплав не требует адаптации к производственному процессу, он рассчитан на 100% оптимальную защиту от коррозии.
