Катодная защита ( CP ; / k æ ˈ θ ɒ d ɪ k / ⓘ ) — метод, используемый для борьбы скоррозиейметаллической поверхности, превращая ее вкатодэлектрохимическойячейки. [1]Простой метод защиты соединяет защищаемый металл с более легко подверженным коррозии «жертвенным металлом», который действует каканод. Тогда вместо защищенного металла ржавеет жертвенный металл. Для таких конструкций, как длинныетрубопроводы, где пассивная гальванически-катодная защита недостаточна, для обеспечения достаточного тока используется внешний источник электроэнергии постоянного тока.
Системы катодной защиты защищают широкий спектр металлических конструкций в различных средах. Общие области применения: стальные водопроводы или топливные трубопроводы и стальные резервуары для хранения , такие как бытовые водонагреватели ; стальные опорные сваи ; корпуса кораблей и лодок; морские нефтяные платформы и обсадные колонны береговых нефтяных скважин; фундаменты морских ветряных электростанций и металлическая арматура в бетонных зданиях и сооружениях. Другое распространенное применение — оцинкованная сталь , где жертвенное покрытие цинком на стальных деталях защищает их от ржавчины.
Катодная защита может в некоторых случаях предотвратить коррозионное растрескивание под напряжением .
Катодная защита была впервые описана сэром Хамфри Дэви в серии статей, представленных Королевскому обществу [2] в Лондоне в 1824 году. Первое применение было на корабле HMS Samarang [3] в 1824 году. Жертвенные аноды из железа , прикрепленные к медной оболочке. Расположение корпуса ниже ватерлинии резко снизило скорость коррозии меди . Однако побочным эффектом катодной защиты стало увеличение роста морской среды . Обычно медь при коррозии выделяет ионы меди, которые оказывают противообрастающее действие. Поскольку чрезмерный рост морской среды повлиял на характеристики корабля, Королевский флот решил, что лучше позволить меди подвергнуться коррозии и получить выгоду от уменьшения роста морской воды, поэтому катодная защита в дальнейшем не использовалась.
В экспериментах Дэви помогал его ученик Майкл Фарадей , который продолжил его исследования после смерти Дэви. В 1834 году Фарадей обнаружил количественную связь между коррозионной потерей веса и электрическим током и тем самым заложил основу для будущего применения катодной защиты. [4]
Томас Эдисон экспериментировал с катодной защитой от приложенного тока на кораблях в 1890 году, но безуспешно из-за отсутствия подходящего источника тока и анодных материалов. Прошло 100 лет после эксперимента Дэви, прежде чем катодная защита стала широко использоваться на нефтепроводах в США [5] — катодная защита применялась к стальным газопроводам, начиная с 1928 года [6] и более широко в 1930-х годах. [7]
При применении пассивной катодной защиты гальванический анод , кусок более электрохимически «активного» металла (более отрицательный электродный потенциал ), прикрепляется к уязвимой металлической поверхности, где он подвергается воздействию электролита. Гальванические аноды выбираются потому, что они имеют более «активное» напряжение, чем металл целевой конструкции (обычно сталь).
Бетон имеет pH около 13. В этой среде стальная арматура имеет пассивный защитный слой и остается в значительной степени стабильной. Гальванические системы — это системы «постоянного потенциала», цель которых — восстановить естественную защитную среду бетона, обеспечивая высокий начальный ток для восстановления пассивности. Затем он возвращается к более низкому жертвуемому току, в то время как вредные отрицательные ионы хлорида мигрируют из стали к положительному аноду. Аноды остаются реактивными на протяжении всего срока службы (обычно 10–20 лет), увеличивая ток, когда удельное сопротивление снижается из-за опасностей коррозии, таких как дождь, повышение температуры или наводнение. Реакционная природа этих анодов делает их эффективным выбором.
В отличие от систем катодной защиты наложенным током (ICCP), постоянная поляризация стали не является целью, а скорее восстановлением окружающей среды. Поляризация целевой структуры вызвана потоком электронов от анода к катоду, поэтому два металла должны иметь хороший электропроводящий контакт. Движущей силой тока катодной защиты является разность электродных потенциалов между анодом и катодом. [8] На начальном этапе сильного тока потенциал стальной поверхности поляризуется (сдвигается) в более отрицательную сторону, защищая сталь, при этом генерация гидроксид-ионов на стальной поверхности и ионная миграция восстанавливают среду бетона.
Со временем гальванический анод продолжает корродировать, расходуя материал анода, пока в конечном итоге его не придется заменить.
Гальванические или жертвенные аноды изготавливаются различных форм и размеров из сплавов цинка , магния и алюминия . ASTM International публикует стандарты состава и производства гальванических анодов. [9] [10] [11]
Чтобы гальвано-катодная защита работала, анод должен обладать более низким (то есть более отрицательным) электродным потенциалом, чем у катода (целевой структуры, подлежащей защите). В таблице ниже показан упрощенный гальванический ряд , по которому выбирают металл анода. [12] Анод должен выбираться из материала, который находится ниже в списке, чем материал, подлежащий защите.
В некоторых случаях используются системы катодной защиты наложенным током (ICCP). Они состоят из анодов, подключенных к источнику постоянного тока, часто к трансформатору-выпрямителю, подключенному к сети переменного тока. При отсутствии источника переменного тока можно использовать альтернативные источники энергии, такие как солнечные панели, ветровые или газовые термоэлектрические генераторы. [13] [14]
Аноды для систем ICCP доступны в различных формах и размерах. Обычные аноды представляют собой трубчатые и сплошные стержни или непрерывные ленты из различных материалов. К ним относятся высококремниевые , чугунные , графитовые , смешанные оксиды металлов (ММО), проволока с платиновым и ниобиевым покрытием и другие материалы.
Для трубопроводов аноды располагаются в заземляющих слоях либо распределенно, либо в глубоком вертикальном отверстии, в зависимости от нескольких факторов конструкции и условий эксплуатации, включая требования к распределению тока.
Трансформаторно-выпрямительные блоки с катодной защитой часто изготавливаются по индивидуальному заказу и оснащаются различными функциями, включая дистанционный мониторинг и управление, встроенные прерыватели тока и различные типы электрических корпусов . Выходная отрицательная клемма постоянного тока подключается к конструкции, защищаемой системой катодной защиты. [15] Положительный кабель постоянного тока на выходе выпрямителя подключен к анодам . Кабель питания переменного тока подключается к входным клеммам выпрямителя.
Выход системы ICCP должен быть оптимизирован для обеспечения достаточного тока для защиты целевой структуры. Некоторые трансформаторы-выпрямители с катодной защитой имеют отводы на обмотках трансформатора и перемычки для выбора выходного напряжения системы ICCP. Трансформаторно-выпрямительные устройства с катодной защитой для резервуаров с водой и других применений изготавливаются с полупроводниковыми схемами для автоматической регулировки рабочего напряжения для поддержания оптимального выходного тока или потенциала структуры-электролита . [16] Аналоговые или цифровые счетчики часто устанавливаются для отображения рабочего напряжения (постоянного и иногда переменного тока) и выходного тока. Для береговых сооружений и других крупных сложных целевых сооружений системы ICCP часто проектируются с несколькими независимыми зонами анодов с отдельными цепями трансформатора-выпрямителя катодной защиты.
Гибридные системы используются уже более десяти лет, [ когда? ] и включают координацию, мониторинг и высокий восстановительный ток систем ICCP с реактивными, более дешевыми и простыми в обслуживании гальваническими анодами.
Система состоит из проводных гальванических анодов, расположенных рядами, обычно на расстоянии 400 миллиметров (16 дюймов) друг от друга, на которые затем первоначально подается питание в течение короткого периода времени для восстановления бетона и обеспечения миграции ионов. Затем источник питания отключается, а аноды просто прикрепляются к стали как гальваническая система. При необходимости можно подключить больше фаз. Как и в гальванических системах, для измерения коррозии можно использовать мониторинг скорости коррозии на основе испытаний на поляризацию и картирование потенциала полуэлемента. Поляризация не является целью существования системы. [ нужна цитата ]
Эта технология также используется для защиты водонагревателей . Действительно, электроны, посылаемые анодом с принудительным током (изготовленным из титана и покрытым ММО), предотвращают ржавчину внутренней части резервуара.
Чтобы быть признанными эффективными, эти аноды должны соответствовать определенным стандартам: Система катодной защиты считается эффективной, когда ее потенциал достигает или превышает пределы, установленные критериями катодной защиты [ необходимо дальнейшее объяснение ] . Используемые критерии катодной защиты взяты из стандарта NACE SP0388-2007 (ранее RP0388-2001) Национальной ассоциации инженеров по коррозии NACE. [17]
.JPG/1280px-Gas_Mains_cathodic_protection_markers,_Wellington_Street,_Leeds_(12th_April_2014).JPG)
Трубопроводы для опасных продуктов обычно защищаются покрытием, дополненным катодной защитой. Система катодной защиты наложенного тока (ICCP) для трубопровода состоит из источника питания постоянного тока, часто трансформаторного выпрямителя с питанием от переменного тока, и анода или массива анодов, закопанных в землю (заземляющее основание анода ).
Источник питания постоянного тока обычно имеет выходную мощность постоянного тока до 50 ампер и 50 вольт , но это зависит от нескольких факторов, таких как размер трубопровода и качество покрытия. Положительная выходная клемма постоянного тока будет подключена с помощью кабелей к анодной матрице, а другой кабель будет соединять отрицательную клемму выпрямителя с трубопроводом, предпочтительно через распределительные коробки, чтобы можно было проводить измерения. [18]
Аноды могут быть установлены в заземляющем основании, состоящем из вертикального отверстия, засыпанного проводящим коксом (материалом, улучшающим эксплуатационные характеристики и срок службы анодов), или уложенным в подготовленную траншею, окруженную проводящим коксом и засыпанную. Выбор типа и размера заземляющего слоя зависит от области применения, местоположения и удельного сопротивления почвы. [19]
Затем постоянный ток катодной защиты доводится до оптимального уровня после проведения различных испытаний, включая измерения потенциалов между трубой и почвой или электродного потенциала .
Иногда экономически выгоднее защитить трубопровод с помощью гальванических (жертвенных) анодов. Это часто случается на трубопроводах меньшего диаметра и ограниченной длины. [20] Гальванические аноды полагаются на последовательные гальванические потенциалы металлов для передачи тока катодной защиты от анода к защищаемой структуре.
Водопроводы из труб из различных материалов также снабжаются катодной защитой, если владельцы считают, что стоимость является разумной для ожидаемого продления срока службы трубопровода , связанного с применением катодной защиты.
Катодная защита на судах часто реализуется с помощью гальванических анодов, прикрепленных к корпусу, и ICCP для более крупных судов. Поскольку суда регулярно выводятся из воды для осмотров и технического обслуживания, замена гальванических анодов не составляет труда. [21]
Гальванические аноды обычно имеют такую форму, чтобы уменьшить сопротивление воды, и устанавливаются заподлицо с корпусом, чтобы также минимизировать сопротивление. [22]
Небольшие суда с неметаллическими корпусами, такие как яхты , оснащены гальваническими анодами для защиты таких зон, как подвесные моторы . Как и любая другая гальвано-катодная защита, это применение основано на прочном электрическом соединении между анодом и защищаемым объектом.
Для ICCP на судах аноды обычно изготавливаются из относительно инертного материала, такого как платинированный титан. Внутри корабля предусмотрен источник постоянного тока, а аноды установлены снаружи корпуса. Анодные кабели вводятся в корабль через компрессионный уплотнительный фитинг и направляются к источнику питания постоянного тока. Отрицательный кабель источника питания просто прикрепляется к корпусу, замыкая цепь. Судовые аноды ICCP монтируются заподлицо, что сводит к минимуму воздействие сопротивления на судно, и располагаются минимум на 5 футов ниже линии легкой нагрузки [23] в зоне, позволяющей избежать механических повреждений. Плотность тока, необходимая для защиты, является функцией скорости и учитывается при выборе токовой мощности и места размещения анода на корпусе.
Некоторым судам может потребоваться специальная обработка, например, алюминиевые корпуса со стальными креплениями создают электрохимическую ячейку, в которой алюминиевый корпус может действовать как гальванический анод, и коррозия усиливается. В подобных случаях можно использовать алюминиевые или цинковые гальванические аноды для компенсации разницы потенциалов между алюминиевым корпусом и стальным крепежом. [24] Если стальные приспособления большие, может потребоваться несколько гальванических анодов или даже небольшая система ICCP.
Морская катодная защита охватывает многие территории, причалы , гавани , морские сооружения. Разнообразие различных типов конструкций приводит к появлению множества систем, обеспечивающих защиту. Предпочтение отдается гальваническим анодам [25] , но часто также можно использовать ICCP. Из-за большого разнообразия геометрии, состава и архитектуры конструкций специализированным фирмам часто приходится разрабатывать системы катодной защиты для конкретных конструкций. Иногда для эффективной защиты морских сооружений требуется ретроактивная модификация [26].
Применение для армирования бетона немного отличается тем, что аноды и электроды сравнения обычно заделываются в бетон во время строительства, когда бетон заливают. Обычным методом для бетонных зданий, мостов и подобных конструкций является использование ICCP, [27] но существуют системы, которые также используют принцип гальванико-катодной защиты, [28] [29] [30] хотя, по крайней мере, в Великобритании Применение гальванических анодов для железобетонных конструкций, подвергающихся атмосферному воздействию, считается экспериментальным. [31]
Для ICCP принцип тот же, что и для любой другой системы ICCP. Однако в типичной бетонной конструкции, подвергающейся атмосферному воздействию, такой как мост, будет гораздо больше анодов, распределенных по конструкции, в отличие от массива анодов, который используется на трубопроводе. Это усложняет систему, и обычно используется автоматически управляемый источник питания постоянного тока, возможно, с возможностью удаленного мониторинга и управления. [32] Для подземных или затопленных сооружений обработка аналогична обработке любых других подземных или затопленных сооружений.
Гальванические системы имеют то преимущество, что их легче модернизировать, и они не требуют каких-либо систем управления, как ICCP.
Для трубопроводов, построенных из предварительно напряженных бетонных цилиндрических труб (PCCP), методы катодной защиты, как правило, такие же, как и для стальных трубопроводов, за исключением того, что приложенный потенциал должен быть ограничен, чтобы предотвратить повреждение проволоки предварительного напряжения. [33]
Стальная проволока в трубопроводе PCCP подвергается нагрузке до такой степени, что любая коррозия проволоки может привести к выходу из строя. Дополнительная проблема заключается в том, что любое избыточное количество ионов водорода в результате чрезмерно отрицательного потенциала может вызвать водородное охрупчивание проволоки, что также приведет к выходу из строя. Выход из строя слишком большого количества проводов приведет к катастрофическому выходу из строя PCCP. [34] Поэтому внедрение ICCP требует очень тщательного контроля для обеспечения удовлетворительной защиты. Более простой вариант — использовать гальванические аноды, которые являются самоограничивающимися и не требуют контроля. [35]
Сосуды, трубопроводы и резервуары (в том числе балластные цистерны ), используемые для хранения или транспортировки жидкостей, также могут быть защищены от коррозии на их внутренних поверхностях путем использования катодной защиты. [36] [37] Можно использовать ICCP и гальванические системы. [38] Обычно внутренняя катодная защита применяется в резервуарах для хранения воды и кожухотрубных теплообменниках электростанций .
Под цинкованием обычно понимают горячее цинкование , которое представляет собой способ покрытия стали слоем металлического цинка или олова. В ванну с расплавленным цинком часто добавляют свинец или сурьму [39] , а также изучались другие металлы. [40] Оцинкованные покрытия весьма долговечны в большинстве сред, поскольку сочетают в себе барьерные свойства покрытия с некоторыми преимуществами катодной защиты. [41] Если цинковое покрытие поцарапано или иным образом локально повреждено и сталь обнажена, окружающие участки цинкового покрытия образуют гальванический элемент с обнаженной сталью и защищают ее от коррозии. [42] Это форма локализованной катодной защиты: цинк действует как жертвенный анод. [43]
Гальванизация, хотя и использует электрохимический принцип катодной защиты, на самом деле является не катодной, а жертвенной защитой. В случае цинкования защищаются только участки, очень близкие к цинку. Следовательно, большая площадь голой стали будет защищена только по краям.
Несколько компаний продают электронные устройства, заявляя, что они уменьшают коррозию автомобилей и грузовиков. [44] Специалисты по борьбе с коррозией считают, что они не работают. [45] Не существует рецензируемых научных испытаний и проверок, подтверждающих использование этих устройств. В 1996 году Федеральная торговая комиссия обязала Дэвида Маккриди, человека, который продавал устройства, защищающие автомобили от коррозии, выплатить компенсацию и запретила названия «Rust Buster» и «Rust Evader». [46]
В соответствии с разделом 74.01(1) (b) Закона о конкуренции Канады , никакие заявления о характеристиках продукта или его эффективности не могут быть сделаны, если не будет доказано, что они основаны на адекватных и надлежащих испытаниях. [47] Канадское бюро по конкуренции приступило к расследованию деятельности нескольких компаний, продающих электронные коррозионно-активные устройства в Канаде. Некоторые были вынуждены отозвать свой продукт с рынка, поскольку не могли научно обосновать свои утверждения. Однако по крайней мере две компании, находящиеся под следствием, смогли убедить Бюро по конкуренции в том, что их заявления о защите транспортных средств от коррозии основаны на адекватных и надлежащих испытаниях в соответствии с разделом 74.01(1) (b) Закона о конкуренции .
В ответ на расследование Бюро по конкуренции по поводу распространения модуля катодной защиты положенным током на канадском рынке компания Auto Saver Systems, Inc. [48] отправила свой модуль на лабораторные испытания в лабораторию, сертифицированную по стандарту ISO. Методика испытаний состояла из Стандартной практики ASTM B117 для эксплуатации устройства солевого тумана [49] , которую эксперт по коррозии, нанятый Бюро по конкуренции, адаптировал для воспроизведения условий эксплуатации автомобиля. Испытание отличалось от ASTM B117 тем, что оцинкованные автомобильные стальные панели не полностью подвергались воздействию солевого тумана. Вместо этого только голая сталь, обнаженная 12-дюймовой царапиной на одном конце панели, подвергалась воздействию соляных брызг, в то время как остальная часть панели оставалась в полностью сухом состоянии. [50]
Результаты испытаний, сообщенные и подтвержденные Бюро по конкуренции, [51] продемонстрировали, что тестируемый модуль Auto Saver способен вызвать сдвиг в отрицательном направлении потенциала электрохимической коррозии железа в стальных панелях. доказывая достижение катодной защиты и, как следствие, замедление процесса окисления железа (образования ржавчины). [52] Визуальный осмотр как оцинкованных, так и не оцинкованных испытательных панелей показал значительное уменьшение появления ржавчины по сравнению с панелями управления (не подключенными к модулю защиты), что согласуется с наблюдаемым катодным сдвигом в полученных измерениях электрохимического потенциала. на панелях во время испытаний. [53]
Вторая компания, Canadian Auto Preservation Inc., также смогла удовлетворить Бюро по конкуренции, доказав, что испытания ее технологии контроля электромагнитной коррозии (EICCT) были адекватными и правильными. [54] Испытание этого модуля, основанное на методологии, очень похожей на ту, что использовалась Auto Saver, также привело к сдвигу в отрицательном направлении потенциала электрохимической коррозии оцинкованных железом автомобильных стальных панелей, что соответствует достижению катодной защиты. [55] [56] В 2017 году была опубликована рецензируемая статья, в которой упоминается эффективность технологии Final Coat в борьбе с коррозией автомобилей. [57]
Результаты, достигнутые обоими этими электронными устройствами-ингибиторами коррозии, указывают на необходимость дальнейших исследований и испытаний, чтобы лучше понять, как эти устройства способны генерировать сдвиг потенциала металлических панелей, то есть катодный эффект, в отсутствие непрерывного электролитического пути, необходимого для замыкания электрической цепи между положительным и отрицательным полюсами в соответствии с принятыми принципами катодной защиты.
Электродный потенциал измеряют с помощью электродов сравнения . Медно-медные сернокислые электроды применяются для конструкций, контактирующих с почвой или пресной водой. Для работы с морской водой используются электроды из серебра/хлорида серебра/морской воды или электроды из чистого цинка . Методы описаны в EN 13509:2003 и NACE TM0497 вместе с источниками ошибок [58] в напряжении, отображаемом на дисплее счетчика. Интерпретация измерений электродного потенциала для определения потенциала на границе между анодом коррозионной ячейки и электролитом требует обучения [59] и не может ожидать, что она будет соответствовать точности измерений, выполненных в лабораторных работах.
Побочным эффектом неправильного применения катодной защиты является образование атомарного водорода , [60] приводящее к его абсорбции в защищаемом металле и последующему водородному охрупчиванию сварных швов и материалов с высокой твердостью. В нормальных условиях атомарный водород объединяется на поверхности металла с образованием газообразного водорода, который не может проникнуть в металл. Однако атомы водорода достаточно малы, чтобы проходить сквозь кристаллическую структуру стали, и в некоторых случаях могут привести к водородному охрупчиванию.
Это процесс отслоения защитных покрытий от защищаемой структуры (катода) за счет образования ионов водорода над поверхностью защищаемого материала (катода). [61] Расщепление может усугубляться увеличением количества щелочных ионов и увеличением катодной поляризации. [62] Степень отслоения также зависит от типа покрытия, причем некоторые покрытия страдают больше, чем другие. [63] Системы катодной защиты должны эксплуатироваться так, чтобы структура не становилась чрезмерно поляризованной, [64] поскольку это также способствует разрыву связи из-за чрезмерно отрицательных потенциалов. Катодное отслоение происходит быстро в трубопроводах, содержащих горячие жидкости, поскольку этот процесс ускоряется тепловым потоком. [ нужна цитата ]
Эффективность систем катодной защиты (CP) на стальных трубопроводах может быть снижена из-за использования диэлектрических покрытий на твердой пленке, таких как полиэтиленовые ленты, термоусадочные муфты для трубопроводов, а также наносимых на заводе одиночных или множественных твердых пленочных покрытий. Это явление возникает из-за высокого удельного электрического сопротивления этих пленочных подложек. [65] Защитный электрический ток от системы катодной защиты блокируется или экранируется от достижения нижележащего металла пленочной подложкой с высоким сопротивлением. Катодное экранирование впервые было определено в 1980-х годах как проблема, и с тех пор регулярно публикуются технические статьи по этому вопросу.
Отчет 1999 года [66] о разливе 20 600 баррелей (3 280 м 3 ) из нефтепровода Саскачеван содержит превосходное определение проблемы катодной защиты:
Катодное экранирование упоминается в ряде стандартов, перечисленных ниже. Недавно изданный регламент USDOT, раздел 49 CFR 192.112, в разделе « Дополнительные требования к конструкции стальных труб, использующих альтернативное максимально допустимое рабочее давление», требует, чтобы «труба была защищена от внешней коррозии незащитным покрытием» (см. раздел «Покрытия» в стандарте). . Кроме того, стандарт NACE SP0169:2007 определяет экранирование в разделе 2, предостерегает от использования материалов, создающих электрическое экранирование, в разделе 4.2.3, предостерегает от использования внешних покрытий, создающих электрическое экранирование, в разделе 5.1.2.3 и инструктирует читателей принять «соответствующие меры» при обнаружении эффектов электрического экранирования тока катодной защиты на работающем трубопроводе, как указано в разделе 10.9.
