Гальванический анод

Яркие прямоугольные объекты на этих компонентах корабля — это гальванические аноды.

, 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 потенциал восстановления /более положительный потенциал окисления ), чем металл конструкции. Разница потенциалов между двумя металлами означает, что гальванический анод подвергается коррозии, фактически принося его в жертву ради защиты конструкции.

Теория

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 воды в гидроксид. ионы (уравнение 2 ): ^{[ 2 ]}

{\ce {Fe -> Fe^2+(aq) + 2e-}}

( 1 )

{\ce {O2 + 2 H2O + 4e- -> 4 OH- (aq)}}

( 2 )

В большинстве сред ионы гидроксида и ионы железа объединяются, образуя гидроксид железа , который в конечном итоге становится знакомой бурой ржавчиной: ^{[ 3 ]}

{\ce {Fe^2+(aq) + 2OH- (aq) -> Fe(OH)2(s)}}

( 3 )

По мере возникновения 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 приходится жертвовать в пользу защищаемой конструкции. ^{[ 6 ]} Проще говоря, при этом используется относительно низкая стабильность 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 замкнутую цепь; 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.

Анодные материалы

с широкой балкой , Стальная баржа демонстрирующая 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. 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

{\ce {2 H2O + 2e- -> 2H + 2OH- (aq)}}

( 4 )

что приводит к водородному охрупчиванию или отслоению покрытия. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Если это вызывает беспокойство, можно использовать цинковые аноды. Сплав алюминий-цинк-олово 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. когда существует риск водородного охрупчивания — это более низкое напряжение является предпочтительным, поскольку позволяет избежать чрезмерной защиты. Однако в некоторых обстоятельствах — например, ^{[ 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 ]}

Рекомендации по проектированию

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 ]}

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

( 5 )

Расчетный срок службы указан в годах (1 год = 8760 часов).
Коэффициент использования (UF) анода является постоянной величиной, зависящей от формы анода и способа его крепления, что означает, какая часть анода может быть израсходована, прежде чем он перестанет быть эффективным. Значение 0,8 указывает на то, что 80% анода может израсходоваться до его замены. Длинный, тонкий анод, стоящий отдельно (установленный на ножках, чтобы держать анод на расстоянии от конструкции), имеет значение UF 0,9, тогда как UF короткого анода, установленного заподлицо, составляет 0,8. ^{[ 14 ]}
Емкость анода является показателем того, сколько материала потребляется при протекании тока с течением времени. Значение цинка в морской воде составляет 780 Ач/кг, а алюминия — 2000 Ач/кг. ^{[ 14 ]} что отражает меньшую атомную массу алюминия и означает, что теоретически алюминий может производить гораздо больший ток на вес, чем цинк, прежде чем он истощится, и это один из факторов, который следует учитывать при выборе конкретного материала.

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 конкретный проект 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.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Никаких внешних источников питания не требуется.
Относительно прост в установке.
Более низкие напряжения и ток означают, что риск возникновения паразитных токов на других конструкциях невелик.
Требуют менее частого мониторинга, чем существующие системы CP.
Относительно низкий риск чрезмерной защиты.
После установки тестирование компонентов системы является относительно простым для обученного персонала.

Недостатки

Токовая мощность ограничена массой анода и собственным потреблением при низкой плотности тока.
Более низкое напряжение возбуждения означает, что аноды могут не работать в средах с высоким удельным сопротивлением.
Часто требуется, чтобы защищаемая конструкция была электрически изолирована от других конструкций и заземления .
Аноды тяжелые и повышают водонепроницаемость движущихся конструкций или внутренней части труб.
Там, где доступен постоянный ток, электрическую энергию можно получить дешевле, чем с помощью гальванических анодов.
При использовании больших массивов необходима проводка из-за большого тока и необходимости поддерживать низкие потери на сопротивление.
Аноды необходимо размещать осторожно, чтобы не мешать потоку воды в гребной винт.
Чтобы сохранить эффективность, аноды необходимо проверять и/или заменять в рамках обычного технического обслуживания.

Экономическая эффективность

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 .

Производство жертвенных анодов

Основной метод заключается в изготовлении жертвенных анодов методом литья. Однако можно выделить два метода литья. ^{[ 15 ]}

Процесс литья под высоким давлением расходных анодов широко распространен. Это полностью автоматизированный машинный процесс. Для того чтобы производственный процесс протекал надежно и повторяемо, 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.

См. также

Гальваническая коррозия

Примечания

^ Шриер 10:4
^ Пибоди стр.2
^ Шриер 3:4
^ Пибоди с. 21
^ Шриер 1:2
^ Шриер 10:29
^ Пибоди стр.37
^ Перейти обратно: ^а ^б Шрейр 10:44
^ «Аноды из алюминиевого сплава 80251 KA90 для работы в горячей и холодной морской воде и солевых растворах» . АСМ Интернешнл. Архивировано из оригинала 4 января 2022 г. Проверено 4 января 2022 г.
^ Бекманн, Швенк, Принц. стр.185
^ Шрейр 10:43
^ де Ринкон, О.; Санчес, М.; Салас, О.; Ромеро, Дж.; Паласиос, К.; Базиль, Дж.; Суарес Дж.; де Ромеро, М.; Замора, Р. (2010), «Сравнительное поведение расходных анодов на основе сплавов Mg, Zn и Al в солоноватой воде» , «Сравнительное поведение расходных анодов на основе сплавов Mg, Zn и Al в солоноватой воде» , NACE, стр. 15 , получено 5 сентября 2013 г.
^ Шрейр 10:12
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ДНВ РП-Б401-2005
^ Аспекты качества при производстве жертвенных анодов https://opferanode24.de/en/interesting-facts/

Ссылки

А.В. Пибоди, Контроль Пибоди над коррозией трубопроводов, 2-е изд., 2001 г., NACE International. ISBN 1-57590-092-0
Шрейр Л.Л. и др., Corrosion Vol. 2, 3-е изд., 1994 г., ISBN 0-7506-1077-8
Бекманн, Швенк, Принц. Справочник по катодной защите от коррозии, 3-е изд., 1997 г. ISBN 0-88415-056-9
Рекомендации Det Norske Veritas по проектированию катодной защиты DNV RP-B401-2005

Внешние ссылки

[S10:4-1] Шриер 10:4

[2] Пибоди стр.2

[3] Шриер 3:4

[4] Пибоди с. 21

[5] Шриер 1:2

[6] Шриер 10:29

[7] Пибоди стр.37

[S10:44-8] Перейти обратно: ^а ^б Шрейр 10:44

[9] «Аноды из алюминиевого сплава 80251 KA90 для работы в горячей и холодной морской воде и солевых растворах» . АСМ Интернешнл. Архивировано из оригинала 4 января 2022 г. Проверено 4 января 2022 г.

[10] Бекманн, Швенк, Принц. стр.185

[S10:43-11] Шрейр 10:43

[nace_paper-12] де Ринкон, О.; Санчес, М.; Салас, О.; Ромеро, Дж.; Паласиос, К.; Базиль, Дж.; Суарес Дж.; де Ромеро, М.; Замора, Р. (2010), «Сравнительное поведение расходных анодов на основе сплавов Mg, Zn и Al в солоноватой воде» , «Сравнительное поведение расходных анодов на основе сплавов Mg, Zn и Al в солоноватой воде» , NACE, стр. 15 , получено 5 сентября 2013 г.

[13] Шрейр 10:12

[DNV-14] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ДНВ РП-Б401-2005

[weblink-15] Аспекты качества при производстве жертвенных анодов https://opferanode24.de/en/interesting-facts/

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]