Катодна защита при крайбрежните зони
Какво представлява и какъв е принципът й на действие?
Защо корозира стоманата в морска вода?
За да бъде разбрана катодната защита, първо трябва да бъде разбран механизмът на корозия. В този смисъл, за да се появи корозия, трябва да са на лице три условия:
1. Два различни метала.
2. Един електролит (солена вода или вода с някакви разтворени соли в нея).
3. Токопроводима връзка между различните метали.
Двата различни метала биха могли да са напълно различни сплави като например стомана и алуминий, но обикновено се касае за микроскопични или макроскопични металургични разлики на повърхността на един единствен стомамен детайл.
Ако посочените по-горе условия са на лице върху металната повърхност (нека в този случай смятаме, че стоманата корозира свободно, т.е. не корозира еднородно навсякъде), то това са места с повишена активност и именно там протича следната реакцията (две железни йони плюс четири свободни електрона):
2Fe => 2Fe++ + 4e-
Свободните електрони преминават през метала към по-малко активните места, където протича следната реакция (кислород под формата на газ, който комбинирайки се с четири свободни електрони, се превръща в кислороден йон, който от своя страна се комбинира с вода до образуване на хидроксилни йони):
O2 + 4e- + 2H20 => 4 OH-
Рекомбинацията на тези йони на активната повърхност произвежда следната реакция, която води до получаване на корозионният продукт на желязото – железен хидроксид.
2Fe + O2 + 2H2O => 2Fe (OH)2
Тази реакция популярно се обяснява като токопротичащ поток през водата от анода (по-активно място) към катода (по-малко активно място).
Как катодната защита спира корозията?
Катодната защита предпазва от корозия, чрез превръщане на всички анодни места (активни) от металната повърхност, в катодни места (пасивни), чрез подаване на електрически ток (или свободни електрони) от външен източник на ток.
Обикновено това е под формата на галванични аноди, които са по-активни от стоманата. Този метод е известен също и като система за катодна защита чрез жертвени аноди, т.к галваничните аноди се жертват, за да защитят стоманената структура или тръба, от корозия.
При алуминиеви аноди, реакцията на повърхността на алуминият е (4 алуминиеви йони плюс 12 свободни електрони):
4Al => 4AL+++ + 12 e-
и върху металната повърхност (кислород под формата на газ, превърнат в кислородни йони, които се комбинират с вода до образуване на хидроксилни йони):
3O2 + 12e- + 6H20 => 12OH-
Всеки път, когато токът (свободните електрони) достига катода (стомана) по‑бързо от кислорода, корозия не се образува.
Фигура 1: Система за катодна защита чрез жервени аноди в солена вода
Основни съображения при проектиране на системи за катодна защита с жертвени аноди.
Електрическият ток, който един анод произвежда се определя по закона на Ом, а именно:
- I=E/R
Където:
I е електрическия ток измерен в ампери /А/.
E е разликата в напрежението между анода и катода измерено във волтове /V/ .
R е съпротивлението на веригата измерено в омове /Ω/.
Първоначално токът ще бъде висок, тъй като първоначалната потенциална разлика между анода и катода е висока, но поради протичането на ток към катода ще намалява и потенциалната разлика, следователно постепенно ще намалее и тока. Това се дължи на поляризирането на катода.
Съпротивлението на веригата включва както водният, така и металният път, включително който и да е друг кабел по веригата. Най-високата му стойност в този случай е съпротивлението на анода спрямо морската вода. За повечето приложения, съпротивлението на метала е толкова малък в сравнение със съпротивлението на водата, че може да бъде игнорирано (това не се отнася за дисперсни шейни или дълги тръби защитени от двата края).
Като цяло, дългите и тънки аноди имат по-малко съпротивление в сравнение с късите и дебели аноди. Те ще пропуснат повече ток, но не са така издържливи. Ето защо, проектантът на катодна защита, трябва да е способен да определи размера на анодите, така че да имат адекватна форма и площ, подходящи за съответият ток, както и подходящо тегло, за да се осигури защита на структурата и да издържат желаното време при протичането тока.
Като общо правило: Дължината на анода определя тока, който ще протече и следователно от това зависи колко квадратни метра стомана ще бъдат защитени. Напречното сечение (масата) определя колко дълго анода може да поддържа тази степен на защита.
Системи за катодна защита при с външен ток
Поради високите стойности на тока в много от системите с морска вода, не е необичайно да се използват системи с инжектиран ток. Системите с инжектиран ток използват един вид аноди, които не се разтварят лесно в метални йони, а поддържат следната алтернативна реакция: окисляване на разтворени хлоридни йони.
- 2Cl- => Cl2 + 2e-
Външно захранващо устройство доставя прав ток.
Фигура2:Система за катодна защита с инжектиран ток.
Как да разберем дали имаме добра катодна защита?
За да разберем дали стойността на тока е достатъчна, трябва да сравним потенциала (напрежение) в стоманата с потенциала на стандартен референтен електрод, обикновено сребърен/сребърен хлорид (Ag/AgCl морска вода), а понякога е от цинк (Zn морска вода).
Потокът в който и да е метал променя обичайният си потенциал в отрицателна посока. Опитът показва, че ако стоманата проведе достатъчно ток, така че да промени напрежението на (-) 0,800 V спрямо сребро/сребърен хлорид, корозията по същество спира.
Поради естеството на образуваните частици, минималното напрежение (‑0.800 V) рядко е оптималното такова, и проектантите се опитват да постигнат напрежение между (-) 0.950 Vи (-) 1.000 V спрямо Ag/AgCl морска вода.
Фигура3: Измерване на напрежениетона катодната защита.
(Без защита – ляво/ със защита – в дясно)
Дисперсни шейни с аноди за системи за катодна защита с външен ток
Защитата на метални шпунтове в пристанища, както и на брегови укрепления със статични метални плоскости, посредством инжектиран ток, е цяло предизвикателство от гледна точка на закотвянето на анодите (железни силциевиили титаниеви аноди). Шейните са проектирани за полагане на аноди върху морското дъно или речното такова.
Противотежести задържат анодното легло в мястото му, а в някои случаи се добавят котви за по-добро фиксиране, особено в случаите на подвижна брегова маса.
