Гальванический анод - Galvanic anode

Пример гальванического анода на корпусе корабля.

А гальванический анод, или жертвенный анод, является основным компонентом гальванической катодная защита (CP) система, используемая для защиты заглубленных или затопленных металлических конструкций от коррозия.

Они сделаны из металлического сплава с более «активным» Напряжение (более отрицательный потенциал сокращения / более позитивный электрохимический потенциал ), чем металл конструкции. Разница потенциалов между двумя металлами означает, что гальванический анод подвергается коррозии, поэтому материал анода расходуется в большей степени, чем структура.

Потеря (или принесение в жертву) анодного материала дает начало альтернативному названию расходуемого анода.

Теория

Короче говоря, коррозия - это химическая реакция, протекающая по электрохимическому механизму ( окислительно-восстановительная реакция ).[1] Во время коррозии протекают две реакции: окисление (уравнение 1), где электроны покидают металл (и приводит к фактической потере металла) и восстановлению, где электроны используются для преобразования воды или кислорода в гидроксиды (уравнения 2 и 3).[2]

Fe → Fe2+ + 2e−

 

 

 

 

(1)

О2 + 2H2O + 4e− → 4OH−

 

 

 

 

(2)

2H2O + 2e− → H2 + 2OH−

 

 

 

 

(3)

В большинстве сред ионы гидроксида и ионы двухвалентного железа объединяются с образованием гидроксид железа, который в конечном итоге становится знакомой коричневой ржавчиной:[3]

Fe2+ + 2OH− → Fe (OH)2

 

 

 

 

(4)

По мере того как происходит коррозия, 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 того, как металл корродирует. И наоборот, когда электроны текут из электролита в катодные области, скорость коррозии уменьшается.[4] (Поток электронов идет в направлении, противоположном потоку электрический ток ).

По мере того как металл продолжает корродировать, местные потенциалы на поверхности металла изменяются, а анодная и катодная области изменяются и перемещаются. В результате в черных металлах по всей поверхности образуется ржавчина, которая в конечном итоге поглощает весь металл. Это скорее упрощенный взгляд на процесс коррозии, поскольку он может происходить в нескольких различных формах.[5]

CP работает, вводя другой металл (гальванический анод) 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, передавая их на гальванический анод, что принесет в жертву защищаемой конструкции.[6]

Чтобы это работало, должен существовать путь для электронов между анодом и защищаемым металлом (например, проволока или прямой контакт) и путь для ионов между окислителем (например, водой или влажной почвой) и анодом, и окислитель и защищаемый металл, образуя замкнутый контур; поэтому простое прикручивание части активного металла, такого как цинк, к менее активному металлу, например, мягкой стали, в воздухе (плохой проводник и, следовательно, отсутствие замкнутой цепи) не обеспечит никакой защиты.

Анодные материалы

Стальная широкая балка канал баржа, показывая недавно почерневший корпус и новые магниевые аноды.

В качестве гальванических анодов используются три основных металла: магний, алюминий и цинк. Все они доступны в виде блоков, стержней, пластин или экструдированной ленты. У каждого материала есть свои достоинства и недостатки.

Магний имеет самый отрицательный электропотенциал из трех (см. гальваническая серия ) и больше подходит для областей, где удельное сопротивление электролита (почвы или воды) выше. Обычно это береговые трубопроводы и другие заглубленные конструкции, хотя они также используются на лодках в пресной воде и в водонагревателях. В некоторых случаях отрицательный потенциал магния может быть недостатком: если потенциал защищаемого металла становится слишком отрицательным, ионы водорода могут выделяться на поверхности катода, что приводит к водородной хрупкости или отслоению покрытия.[7][8] Если это возможно, можно использовать цинковые аноды.

Цинк и алюминий обычно используются в соленой воде, где удельное сопротивление обычно ниже. Типичное применение - корпус судов и катеров, морских трубопроводов и производственных платформ, в морских двигателях с водяным охлаждением, на гребных винтах и ​​рулях малых лодок, а также для внутренней поверхности резервуаров для хранения.

Цинк считается надежным материалом, но он не подходит для использования при более высоких температурах, так как он склонен к пассивировать (оксид защищает от дальнейшего окисления); в этом случае ток может перестать течь, и анод перестанет работать.[9] Цинк имеет относительно низкое управляющее напряжение, что означает, что в почвах или воде с более высоким удельным сопротивлением он может не обеспечивать достаточный ток. Однако в некоторых случаях - когда есть риск водородной хрупкости, например - это более низкое напряжение является преимуществом, поскольку исключается чрезмерная защита.[10]

Алюминиевые аноды имеют несколько преимуществ, таких как более легкий вес и гораздо более высокая емкость, чем у цинковых. Однако их электрохимические свойства не считаются такими же надежными, как у цинка, и следует проявлять большую осторожность при их использовании. Алюминиевые аноды пассивируются, если концентрация хлоридов ниже 1,446. частей на миллион.[11]

Одним из недостатков алюминия является то, что если он ударяется о ржавую поверхность, большой термит может возникнуть искра, поэтому ее использование ограничено в резервуарах, где может быть взрывоопасная атмосфера и существует риск падения анода.[8]

Поскольку работа гальванического анода зависит от разницы в электропотенциале между анодом и катодом, практически любой металл может использоваться для защиты другого, при условии наличия достаточной разницы потенциалов. Например, железные аноды можно использовать для защиты меди.[12]

Соображения по дизайну

При проектировании системы CP с гальваническим анодом необходимо учитывать множество факторов, включая тип конструкции, удельное сопротивление электролита (почвы или воды), в котором она будет работать, тип покрытия и срок службы.

Первичный расчет - сколько анодного материала потребуется для защиты конструкции в течение необходимого времени. Слишком мало материала может на время обеспечить защиту, но его необходимо регулярно заменять. Слишком много материала обеспечит защиту без лишних затрат. Масса в кг определяется уравнением (5).[13]

Масса = (Требуемый ток x Расчетный срок службы x 8760) ÷ (Коэффициент использования x емкость анода)

 

 

 

 

(5)

  • Расчетный срок службы в годах (1 год = 8760 часов).
  • Коэффициент использования (UF) анода является постоянным значением, зависящим от формы анода и способа его прикрепления, что означает, сколько анода можно израсходовать, прежде чем он перестанет быть эффективным. Значение 0,8 указывает на то, что 80% анода может быть израсходовано до его замены. Длинная тонкая подставка от анода (установлено на ногах, чтобы держать анод от структуры) имеет значение UF 0,9, в то время как UF короткие, заподлицо анод 0,8.[13]
  • Емкость анода - это показатель того, сколько материала потребляется при протекании тока с течением времени. Значение цинка в морской воде составляет 780 Ач / кг, а алюминия - 2000 Ач / кг.[13] Это означает, что теоретически алюминий может производить намного больший ток, чем цинк, прежде чем истощится, и это один из факторов, которые следует учитывать при выборе конкретного материала.

Количество 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.

Когда 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 для обеспечения достаточного тока. Если сопротивление анода слишком велико, выбирается анод другой формы или размера, либо необходимо использовать большее количество анодов.[13]

Затем планируется размещение анодов таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение тока по всей конструкции. Например, если конкретная конструкция показывает, что для трубопровода длиной 10 километров (6,2 мили) требуется 10 анодов, то примерно один анод на километр будет более эффективным, чем установка всех 10 анодов на одном конце или в центре.

Преимущества и недостатки гальванической анодной защиты

Преимущества

  • Никаких внешних источников питания не требуется.
  • Относительно проста в установке.
  • Более низкие напряжения и ток означают, что риск возникновения помех от паразитного тока в других конструкциях невелик.
  • Требуют менее частого мониторинга, чем системы CP с измеренным током.
  • Сравнительно низкий риск чрезмерной защиты.
  • После установки испытать компоненты системы относительно просто для обученного персонала.

Недостатки

  • Пропускная способность ограничена массой анода и собственным потреблением при низкой плотности тока.
  • Более низкое управляющее напряжение означает, что аноды могут не работать в средах с высоким удельным сопротивлением.
  • Часто требуется, чтобы конструкция была электрически изолирована от других конструкций и земля.
  • Аноды тяжелые и увеличивают водонепроницаемость движущихся конструкций или внутренних поверхностей труб.
  • При наличии постоянного тока электрическую энергию можно получить дешевле, чем с помощью гальванических анодов.
  • Там, где используются большие массивы, необходима проводка из-за большого тока и необходимости поддерживать низкие потери сопротивления.
  • Аноды необходимо размещать осторожно, чтобы не мешать потоку воды в гребной винт.
  • Для сохранения эффективности аноды необходимо проверять и / или заменять в рамках обычного обслуживания.

Рентабельность

Поскольку используемые анодные материалы, как правило, дороже железа, использование этого метода для защиты конструкций из черных металлов может показаться неэффективным с точки зрения затрат. Однако следует также учитывать затраты, понесенные на ремонт корродированного корпуса или замену стального трубопровода или резервуара, поскольку их структурная целостность была нарушена из-за коррозии.

Однако рентабельность гальванической системы имеет предел. На больших конструкциях или длинных трубопроводах может потребоваться столько анодов, что их установка будет более рентабельной. катодная защита наложенного тока.

Производство расходных анодов

Основной метод - это изготовление расходуемых анодов путем литья. Однако можно выделить два метода литья.[14]

Широко распространен процесс литья под высоким давлением расходуемых анодов. Это полностью автоматизированный машинный процесс. Чтобы производственный процесс протекал надежно и с повторяемостью, требуется модификация обработанного расходуемого анодного сплава. В качестве альтернативы для производства расходуемых анодов используется процесс гравитационного литья. Этот процесс выполняется вручную или частично автоматически. Сплав не нужно адаптировать к производственному процессу, он рассчитан на 100% оптимальную защиту от коррозии.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Shrier 10: 4
  2. ^ Пибоди стр.2
  3. ^ Шрайер 3: 4
  4. ^ Пибоди стр.21
  5. ^ Шрайер 1: 2
  6. ^ Shrier 10:29
  7. ^ Пибоди стр.37
  8. ^ а б Шрейр 10:44
  9. ^ Бекманн, Швенк и Принц с.185
  10. ^ Шрейр 10:43
  11. ^ О де Ринкон, М. Санчес, О Салас, Дж. Ромеро, К. Паласиос, Дж. Базиль, Дж. Суарес, М. де Ромеро, Р. Самора (2010), «СРАВНИТЕЛЬНОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЖЕРТВНЫХ АНОДОВ НА ОСНОВЕ СПЛАВОВ Mg, Zn И Al В СТИЛЬНОЙ ВОДЕ», Сравнительное поведение расходных анодов на основе сплавов Mg, Zn и Al в солоноватой воде, NACE, стр. 15, получено 2013-09-05CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  12. ^ Шрейр 10:12
  13. ^ а б c d ДНВ РП-В401-2005

Рекомендации

  • A.W. Пибоди, Пибоди «Контроль коррозии трубопроводов», 2-е изд., 2001 г., NACE International. ISBN  1-57590-092-0
  • Shreir L.L. и др., Corrosion Vol. 2, 3-е изд., 1994, ISBN  0-7506-1077-8
  • Baeckmann, Schwenck & Prinz, Справочник по защите от катодной коррозии, 3-е издание 1997 г. ISBN  0-88415-056-9
  • Рекомендации Det Norske Veritas по проектированию катодной защиты ДНВ РП-В401-2005