Основные материалы анодных заземлителей
Сравнительный анализ и область применения
Г. Н. ЗОРИНА, В. В. ПЕРШУКОВ, Н. М. КАТОЛИКОВА – ЗАО «Химсервис»
С развитием современных технологий, а также с возможностью закупать рабочие элементы анодов на мировом рынке появилось большое количество новых анодных заземлителей из разных материалов. При этом заявленные технические характеристики однотипных материалов у разных производителей могут сильно отличаться. Создавшаяся ситуация ставит перед проектировщиками и специалистами по противокоррозионной защите непростую задачу выбора. В данной статье приведен анализ эксплуатационных свойств основных материалов анодных заземлителей и, основываясь на ограничениях, присущих каждому материалу, приводится рекомендуемая область их применения.
Основное назначение анодного заземлителя – обеспечение стекания защитного тока в грунт. При этом на анодном заземлении происходит преобразование электронного тока в ионный. Как известно, в металлах электропроводность осуществляется за счет электронов, поэтому ток в металлах по носителям заряда называется электронным. В электролитах носителями зарядов являются ионы, поэтому ток в электролитах называется ионным. Преобразование электронного тока в ионный ток осуществляется за счет протекания электрохимических реакций.
На анодном заземлении возможно протекание следующих реакций.
- Образование кислорода из воды грунтового электролита по реакции: 2Н2О → О2 + 4е- + 4Н+ (1)
- Реакция растворения материала анода: Ме → Меn+ + nе- (2)
Исходя из назначения анодного заземлителя в системе катодной защиты, в качестве анодного материала может использоваться любой токопроводящий материал. В зависимости от вклада реакции (2) в процесс преобразования электронного тока в ионный, материалы анодных заземлителей подразделяются на растворимые, нерастворимые и малорастворимые.
В качестве растворимых анодных материалов еще недавно широко применялись сплавы на основе железа в виде отходов труб, рельсов и т.п. Скорость анодного растворения железа составляет около 10 кг/А∙год. При использовании заземлителей из растворимых материалов очень сильно загрязняются ионами железа грунтовые воды. Дополнительным негативным фактором является неэлектропроводность продуктов растворения таких АЗ, что очень быстро выводит их из строя. В настоящее время данные материалы запрещены к применению.
При стекании тока с нерастворимых (инертных) анодов, на их поверхности происходит только выделение кислорода по реакции (1), растворения материала анода по реакции (2) практически не происходит. К инертным материалам относятся материалы платиновой группы, которые, вследствие дефицитности и высокой стоимости, на практике применяются в виде тонких оксидных покрытий на подложках из коррозионностойких электропроводящих материалов. Общепринятое название: Mixed Metal Oxide (ММО).
Поскольку на поверхности нерастворимых анодов протекает только реакция (1), потенциал анода необходимо сместить в положительную область до потенциала выделения кислорода, а, следовательно, увеличить напряжение на источнике тока. В качестве подложки чаще всего используется титан, поэтому в процессе эксплуатации необходимо контролировать потенциал анода. При потенциале 12 В, а по нашим исследованиям в некоторых средах уже при 8 В, происходит разрушение оксидной пленки титана с интенсивным растворением титановой подложки и выходом из строя анодного заземлителя.
Поэтому использование нерастворимых материалов в качестве точечных (поверхностных и глубинных) анодных заземлителей для установки в грунтах нецелесообразно. Такие материалы хорошо зарекомендовали себя в химической промышленности, а также для защиты морских платформ и судов. Оптимальной областью применения являются высоко агрессивные среды и морская вода с низким удельным сопротивлением. Также возможно использование таких заземлителей в качестве протяженных гибких анодов в виде проволоки с коксовой засыпкой, учитывая при этом ограничения по напряжению.
Наибольший интерес представляют анодные заземлители из малорастворимых материалов, для которых соотношение «срок службы/стоимость» наиболее оптимально. К малорастворимым анодным материалам относятся все графитсодержащие материалы, ферросилид, магнетит.
Среди малорастворимых материалов наибольшую скорость анодного растворения имеет графит – до 1,2 кг/А∙год. На графитовых электродах анодные реакции более сложные, и дополнительно происходит окисление углерода с образованием газа по уравнению: C + O2 → CO2 (3)
Графитсодержащие материалы обладают существенными недостатками, такими как подверженность «холодному горению» (когда на поверхности анода образуется газ по реакции (3), вызывающий резкое увеличение переходного сопротивления), высокое продольное сопротивление графита, низкая рабочая плотность тока, высокая чувствительность к влажности грунта. Возникают сложности в оценке скорости анодного растворения таких материалов ввиду наличия в материале неэлектропроводных связующих. В зависимости от используемых связующих, материалы делятся на жесткие (графитопласты) и гибкие (графитонаполненные полимеры или резина). При превышении рекомендуемой плотности тока полимеров или резины происходит интенсивное выделение кислорода, что приводит к деструкции полимерной матрицы и разрушение таких материалов (рис. 1). Графитопласт также обладает серьезным недостатком – высокая хрупкость (рис. 2). Данные недостатки сдерживают широкое применение графитсодержащих материалов для изготовления анодных заземлителей. Однако благодаря гибкости некоторых составов материала, они нашли применение в качестве протяженных анодов, для которых требуется низкая плотность тока.
Рис. 1. Деструкция полимера
Рис. 2. Разрушение АЗ при транспортировке
Ферросилид представляет собой сплав железа с кремнием и имеет скорость анодного растворения до 0,5 кг/А∙год. При работе ферросилида на его поверхности одновременно с реакцией восстановления кислорода (1) протекает реакция растворения сплава. Выход ионов железа приводит к растворению анода. Свободному выходу железа из ферросилида препятствует наличие ионов кремния: вследствие большего сродства к кислороду ионы кремния легче соединяются с кислородом, образуя труднорастворимый оксид кремния. Образующийся оксид кремния со временем покрывает всю поверхность анодного заземлителя и препятствует выходу ионов железа, а, следовательно, растворению анода.
Поскольку процессы, протекающие на анодном заземлении, осуществляются с участием электронов, то скорость протекания этих процессов, зависит от величины стекающего, т.е. защитного тока. Зависимость скорости растворения от плотности тока представлена на графике (рис. 3).
Рис. 3. График скорости растворения ферросилида
Необходимо учитывать, что на конечный период эксплуатации плотность защитного тока как минимум в три раза превышает начальную в связи с уменьшением геометрических размеров анодов. Однако не только плотность тока определяет скорость растворения ферросилида. Очень важно, чтобы сплав, из которого изготовлен анодный заземлитель, был однородным по химическому составу, без газовых включений и других дефектов. Все эти параметры влияют на реальный срок службы.
Длительное и повсеместное использование ферросилида в различных грунтах доказало их высокую эффективность в качестве точечных (поверхностных и глубинных) заземлителей.
Магнетит, обладая очень низкой скоростью растворения (до 0,04 кг/А∙год.), имеет гораздо большие перспективы применения, позволяя изготавливать достаточно легкие конструкции. В связи с низкой скоростью растворения геометрические размеры заземлителя во время эксплуатации изменяются незначительно, что обеспечивает практически стабильное сопротивление растеканию тока.
Механизм анодного растворения магнетита отличается от растворения ферросилида, т.к. материал состоит из оксидов железа, но суть протекающих на аноде процессов одинаковая. Ввиду большой допустимой плотности тока, магнетит предполагает наиболее широкое использование в различных грунтах, а также морской воде. К сожалению, сложная технология изготовления не позволяет добиться низкой цены при производстве данного материала и получить достойное широкое распространение.
Представленные выше материалы анодных заземлителей сильно различаются по свойствам, и для того, чтобы правильно их применять при капитальном ремонте и строительстве систем ЭХЗ, необходимо учитывать все их достоинства и недостатки. Понимание процессов, протекающих на анодном заземлителе, позволит проектировщикам и специалистам ЭХЗ грамотно выбрать их материал и обоснованно прогнозировать эксплуатационные затраты и срок их службы.
Результаты анализа анодных материалов с указанием рекомендуемой области применения, а также их преимущества и недостатки, представлены в таблице 1. Данная информация поможет принять правильное решение при выборе анодного заземления.
Таблица 1. Характеристики современных анодных материалов
Статья в формате pdf →
-
301651, Московская обл.,Новомосковск, ул. Свободы, д. 9
- ☎ +7 (48762) 7-97-74
- adm@ch-s.ru
- химсервис.com
