Войти
Пример гальванического анода на корпусе корабля. A гальванический анод, или расходуемый анод, является основным компонентом системы гальванической катодной защиты (CP), используемой для защиты подземных или затопленных металлических конструкций от коррозии.
. из металлического сплава с более «активным» напряжением (более отрицательным восстановительным потенциалом / более положительным электрохимическим потенциалом ), 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.
Короче говоря, коррозия - это химическая реакция, протекающая по электрохимическому механизму (окислительно-восстановительная реакция ). Во время коррозии протекают две реакции: окисление (уравнение 1), когда электроны покидают металл (и приводит к фактической потере металла), и восстановление, где электроны используются для преобразования воды или кислорода в гидроксиды (уравнения 2и 3).
| Fe → Fe + 2e | (1) |
| O2+ 2H 2 O + 4e → 4OH | (2) |
| 2H2O + 2e → H 2 + 2OH | (3) |
В большинстве сред ионы гидроксида и ионы двухвалентного железа вместе образуют гидроксид двухвалентного железа, который в конечном итоге становится знакомой коричневой ржавчиной:
| Fe + 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 станут анодными (окисление), а некоторые - катодными (восстановление). Электроны текут из анодных областей в электролит по мере того, как металл корродирует. И наоборот, когда электроны текут из электролита в катодные области, скорость коррозии уменьшается. (Поток электронов идет в направлении, противоположном направлению f низкий 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, потому что он может происходить в нескольких различных формах.
CP работает, вводя другой металл (гальванический анод) с гораздо более анодной поверхностью, так что весь ток будет поток из введенного анода и защищаемый металл становится катодным по сравнению с анодом. Это эффективно останавливает реакции окисления на поверхности металла, передавая их на гальванический анод, что будет принесено в жертву защищаемой конструкции.
Для того, чтобы это работало, должен существовать путь электронов между анодом и защищаемый металл (например, проволока или прямой контакт) и ионный путь между окислителем (например, водой или влажной почвой) и анодом, а также окислителем и металлом, который необходимо защитить, образуя таким образом замкнутый цепь; 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.
Стальная широкобалочная канал баржа с недавно почерневшим корпусом и новыми магниевыми анодами. Есть три основных металла в качестве гальванических анодов используются 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. гальванический ряд ) 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, на поверхности катода могут выделяться ионы водорода, что приводит к водородному охрупчиванию или к отслоению покрытия.. 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 на внутренней поверхности резервуаров для хранения.
Цинк считается надежным материалом, но не подходит для использования при более высоких температурах, так как он склонен пассивировать (образуемый оксид защищает от дальнейшего окисления); в этом случае ток может перестать течь, и анод перестанет работать. 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 - например, когда существует риск водородного охрупчивания - это более низкое напряжение является преимуществом, так как избегается чрезмерная защита.
Алюминиевые аноды имеют несколько преимуществ, например: меньший вес и гораздо более высокая емкость, чем у цинка. Однако их электрохимические свойства не считаются такими же надежными, как у цинка, и следует проявлять большую осторожность при их использовании. Алюминиевые аноды пассивируются, когда концентрация хлоридов ниже 1,446 частей на миллион.
. Одним из недостатков алюминия является то, что при ударе алюминия о ржавую поверхность может образоваться большая искра термитного, поэтому его использование ограничено в резервуарах, где может быть взрывоопасная атмосфера и существует риск падения анода.
Поскольку работа гальванического анода зависит от разницы в электропотенциале между анодом и катодом, практически любой металл может быть используется для защиты других при наличии достаточной разницы потенциалов. Например, железные аноды могут использоваться для защиты меди.
При проектировании системы CP с гальваническим анодом необходимо учитывать множество факторов, включая тип конструкции, удельное сопротивление электролита. (грунт или вода), в котором он будет работать, тип покрытия и срок службы.
Первичный расчет - сколько анодного материала потребуется для защиты конструкции в течение требуемого 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 по формуле (5).
| Масса = (Требуемый ток x Расчетный ресурс x 8760) ÷ (Коэффициент использования x емкость анода) | (5) |
Требуемая величина тока 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.
После того, как 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.
Затем расположение анодов планируется 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.
Поскольку используемые анодные материалы обычно дороже, чем железо, использование этого метода для защиты конструкции из черных металлов могут не оказаться особенно рентабельными. 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 более крупных конструкциях или длинных трубопроводах может потребоваться такое количество анодов, что было бы более рентабельно установить катодную защиту с подаваемым током.
Основным методом является производство жертвенные аноды в процессе литья. Однако можно выделить два метода литья.
Процесс литья под высоким давлением расходуемых анодов широко распространен. Это полностью автоматизированный машинный процесс. Чтобы производственный процесс протекал надежно и с повторяемостью, требуется модификация обработанного расходуемого анодного сплава. В качестве альтернативы для производства расходных 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.
