Гальванический анод , или жертвенный анод , является основным компонентом системы гальванической катодной защиты , используемой для защиты заглубленных или подводных металлических конструкций от коррозии .
Они изготовлены из металлического сплава с более «активным» напряжением (более отрицательный восстановительный потенциал / более положительный окислительный потенциал ), чем металл конструкции. Разница в потенциале между двумя металлами означает, что гальванический анод корродирует, фактически «принося себя в жертву» для защиты конструкции.
Коротко говоря, коррозия — это химическая реакция, происходящая по электрохимическому механизму ( окислительно-восстановительная реакция ). [1] Во время коррозии железа или стали происходят две реакции: окисление (уравнение 1 ), при которой электроны покидают металл (и металл растворяется, т.е. происходит фактическая потеря металла), и восстановление, при котором электроны используются для преобразования кислорода и воды в гидроксид-ионы (уравнение 2 ): [2]
В большинстве сред гидроксид-ионы и ионы железа объединяются, образуя гидроксид железа , который в конечном итоге превращается в знакомую нам бурую ржавчину: [3]
По мере коррозии происходят реакции окисления и восстановления, и на поверхности металла образуются электрохимические ячейки, так что некоторые области станут анодными (окисление), а некоторые катодными (восстановление). Электроны перетекают из анодных областей в электролит по мере коррозии металла. И наоборот, по мере того, как электроны перетекают из электролита в катодные области, скорость коррозии снижается. [4] (Поток электронов направлен в противоположном направлении от потока электрического тока .)
По мере того, как металл продолжает корродировать, локальные потенциалы на поверхности металла будут меняться, а анодные и катодные области будут меняться и перемещаться. В результате в черных металлах по всей поверхности образуется общее покрытие ржавчины, которое в конечном итоге поглотит весь металл. Это довольно упрощенный взгляд на процесс коррозии, поскольку он может происходить в нескольких различных формах. [5]
Предотвращение коррозии с помощью катодной защиты (CP) работает путем введения другого металла (гальванического анода) с гораздо более анодной поверхностью, так что весь ток будет течь от введенного анода, а защищаемый металл станет катодным по сравнению с анодом. Это эффективно останавливает реакции окисления на поверхности металла, перенося их на гальванический анод, который будет принесен в жертву защищаемой структуре. [6] Проще говоря, это использует преимущество 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 его частично заполненные d-орбитали.
Для того чтобы эта защита работала, должен быть электронный путь между анодом и защищаемым металлом (например, провод или прямой контакт), а также ионный путь между окислителем (например, кислородом и водой или влажной почвой) и анодом, а также окислителем и защищаемым металлом, образуя таким образом замкнутую цепь; поэтому простое присоединение куска активного металла, например цинка, к менее активному металлу, например мягкой стали, 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 свои преимущества и недостатки.
Магний имеет самый отрицательный электропотенциал из трех (см. гальванический ряд ) и больше подходит для областей, где электролитное сопротивление (почва или вода) выше. Обычно это наземные трубопроводы и другие подземные сооружения, хотя он также используется на лодках в пресной воде и в водонагревателях. В некоторых случаях отрицательный потенциал магния может быть недостатком: если потенциал защищенного металла становится слишком отрицательным, восстановление воды или сольватированных протонов может выделять атомы водорода на поверхности катода, например, согласно
приводит к водородной хрупкости или отслоению покрытия. [7] [8] Если это вызывает беспокойство, можно использовать цинковые аноды. Сплав алюминия, цинка и олова, называемый KA90, обычно используется в судостроении и водонагревателях. [9]
Цинк и алюминий обычно используются в соленой воде, где сопротивление обычно ниже, а магний растворяется относительно быстро в результате реакции с водой при выделении водорода (самокоррозия). Типичные области применения — корпуса кораблей и лодок, морские трубопроводы и производственные платформы, в охлаждаемых соленой водой судовых двигателях, на винтах и рулях небольших лодок, а также для внутренней поверхности резервуаров для хранения.
Цинк считается надежным материалом, но не подходит для использования при более высоких температурах, так как он имеет тенденцию к пассивации (образованный оксидный слой защищает от дальнейшего окисления); если это происходит, ток может прекратиться, и анод перестает работать. [10] Цинк имеет относительно низкое возбуждающее напряжение, что означает, что в почвах или воде с высоким удельным сопротивлением он может не обеспечить достаточный ток. Однако в некоторых обстоятельствах — например, когда существует риск водородной хрупкости — это более низкое напряжение выгодно, так как избегается избыточная защита. [11]
Алюминиевые аноды имеют ряд преимуществ, таких как меньший вес и гораздо более высокая емкость, чем у цинка. Однако их электрохимическое поведение не считается таким же надежным, как у цинка, и необходимо проявлять большую осторожность при их использовании. Алюминиевые аноды будут пассивироваться, если концентрация хлорида ниже 1446 частей на миллион . [12]
Одним из недостатков алюминия является то, что при ударе о ржавую поверхность может образоваться 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 может быть использован для защиты другого, при условии, что существует достаточная разница потенциалов. Например, железные аноды могут быть использованы для защиты меди. [13]
_-_dry_dock_Pearl_Harbor_(2).jpg/1280px-USS_Greeneville_(SSN_772)_-_dry_dock_Pearl_Harbor_(2).jpg)
При проектировании системы гальванического анода катодной защиты следует учитывать множество факторов, включая тип конструкции, удельное сопротивление электролита (почвы или воды), в котором она будет работать, тип покрытия и срок службы.
Основной расчет заключается в том, сколько анодного материала потребуется для защиты конструкции в течение требуемого времени. Слишком мало материала может обеспечить защиту на некоторое время, но его необходимо регулярно заменять. Слишком много материала обеспечит защиту за ненужные деньги. Масса в кг определяется уравнением ( 5 ). [14]
Величина необходимого тока напрямую соответствует площади поверхности металла, контактирующей с почвой или водой, поэтому нанесение покрытия резко снижает массу необходимого 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, сколько тока может быть произведено, поэтому сопротивление анода рассчитывается, чтобы гарантировать, что будет доступен достаточный ток. Если сопротивление анода слишком велико, выбирается анод другой формы или размера, или должно быть использовано большее количество анодов. [14]
Затем расположение анодов планируется таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение тока по всей конструкции. Например, если конкретный проект показывает, что для трубопровода длиной 10 километров (6,2 мили) требуется 10 анодов, то примерно один анод на километр будет эффективнее, 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 показаться не особенно экономически эффективным. Однако следует также учитывать расходы, понесенные при ремонте корродированного корпуса или замене 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 так много анодов, что будет более экономически выгодно установить катодную защиту с наложенным током .
Основной метод — производство жертвенных анодов методом литья. Однако можно выделить два метода литья. [15]
Широко распространен процесс литья под высоким давлением для жертвенных анодов. Это полностью автоматизированный машинный процесс. Для того чтобы производственный процесс работал надежно и воспроизводимо, требуется модификация обработанного жертвенного анодного сплава. В качестве альтернативы для производства жертвенных анодов используется процесс гравитационного литья. Этот процесс выполняется вручную или частично автоматизирован. Сплав не должен быть адаптирован к производственному процессу, но он разработан для 100% оптимальной защиты от коррозии.
