Ochrona katodowa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Ochrona metali przed korozją (przykład rurociągu podziemnego) – zasada katodowej ochrony elektrolitycznej (góra) i galwanicznej (dół)<[1]

Ochrona katodowa – jedna z elektrochemicznych metod ochrony metali przed korozją elektrochemiczną, która polega na tym, że do chronionej konstrukcji dołącza się zewnętrzną anodę. Powierzchnia chronionego metalu staje się katodąelektrodą, na której zachodzą reakcje redukcji depolaryzatora, a nie zachodzi utlenianie metalu, czyli jego korozja[2][3][4].

Przebieg reakcji katodowych można wywołać, opcjonalnie:

  • stosując zewnętrzne źródło napięcia (ochrona katodowa elektrolityczna)
  • zapewniając kontakt chronionej konstrukcji z protektorem – metalem o niższym potencjale w środowisku korozji
    (ochrona katodowa galwaniczna, ochrona protektorowa)

Podstawy fizykochemiczne[edytuj | edytuj kod]

Wykresy Pourbaix
-Wykres Pourbaix dla Fei zasada ochrony elektrochemicznej
-
Wykres Pourbaix dla Fe
i zasada ochrony elektrochemicznej
Wykres Evansa: Polaryzacja układu metal chroniony–protektor

Fizykochemiczne podstawy metod elektrochemicznej ochrony metali przed korozją formułuje:

Graficzną ilustracją równowag termodynamicznych są np. wykresy Pourbaix, sporządzane w układzie współrzędnych potencjałpH. Na tych wykresach jest określane położenie obszarów termodynamicznej trwałości[7][8]:

  • metalu (obszar odporności na korozję)
  • stałych produktów utlenienia (obszar potencjalnej pasywacji)
  • jonów w roztworze wodnym (korozja)

Metal, którego stan określa punkt leżący w obszarze korozji, można ochraniać zmieniając jego potencjał elektryczny i kwasowość środowiska.

Różnica między potencjałem elektrody w stanie równowagi i potencjałem w zamkniętym ogniwie galwanicznym jest nazywana nadnapięciem lub nadpotencjałem. W pracującym ogniwie (układ oddalony od stanu równowagi) elektrody ulegają polaryzacji – potencjał katody zmniejsza się, a potencjał anody wzrasta, tym bardziej im większa jest gęstość prądu, związana z szybkością odpowiednich reakcji elektrodowych (nadnapięcie aktywacyjne) oraz z szybkością dyfuzji substratów i produktów tych reakcji (polaryzacja stężeniowa). Ustala się stan równowagi dynamicznej. Zależności potencjałów elektrod od gęstości prądu są przedstawiane na wykresach Evansa[7][8].

Natężenie prądu, płynącego w nie zasilanym z zewnątrz obwodzie ochronnym (ochrona galwaniczna), jest proporcjonalne do szybkości roztwarzania się protektora. Efektywność uzyskiwania prądu ochronnego zależy od rodzaju użytego materiału (sprawność protektora). Jeżeli obwód jest zasilany z zewnątrz, np. z prostownika (ochrona elektrolityczna), informacje o potencjałach równowagowych i mechanizmach polaryzacji pozwalają ustalać, jakie wartości gęstości prądu ochronnego gwarantują przesunięcie potencjału chronionej konstrukcji poza obszar korozji. W czasie obliczeń wykorzystuje się wyniki badań rezystancji (R) środowiska, w którym znajduje się konstrukcja i anody ochronne (np. grunt, woda morska, woda słodka)[1][3][4][9].

Ochrona katodowa elektrolityczna[edytuj | edytuj kod]

Elektrolityczna ochrona katodowa
Ochrona rurociągów podziemnych lub podwodnych polega na zastosowaniu zewnętrznego źródła napięcia (prostownik) i anod ochronnych, rozmieszczonych w pobliżu (zamknięcie obwodu elektrycznego przez elektrolit)[1][10]

Materiały i urządzenia[edytuj | edytuj kod]

W układach ochrony katodowej elektrolitycznej, są używane trwałe anody ochronne („uziomy”), połączone przewodami elektrycznymi z dodatnim biegunem prostownika. Chroniona konstrukcja jest łączona z biegunem ujemnym. Obwód elektryczny zamyka elektrolit (np. roztwory glebowe). Do ochrony metalowych instalacji w gruncie są stosowane prostowniki o napięciu wyjściowym 50 V, a w wodzie morskiej – 24 V[10].

Anody ochronne są wykonywane z takich materiałów, jak[1]:

Elektrody są umieszczane w zasypce z koksiku węglowego lub ponaftowego, co zwiększa ich trwałość i zmniejsza własną rezystancję.

Poza elektrycznym obwodem prądowym (polaryzującym) stosuje się obwód kontrolny („potencjałowy”). W jego skład wchodzi elektroda odniesienia (np. Cu/CuSO4 nas.) i miliwoltomierz, włączony w system operacyjnego monitorowania wartości potencjałów na powierzchni chronionej konstrukcji. Poza pomiarami napięcia wykonuje się pomiary korozymetryczne. Polegają one na określaniu przyrostu rezystantywności próbki metalu, która jest umieszczona w środowisku korozji (np. ziemi)[10].

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Ochrona katodowa elektrolityczna jest stosowana powszechnie, np. do ochrony:

Podstawowa ochrona rurociągów polega na stosowaniu powłok ochronnych, metalicznych, nieorganicznych lub organicznych, jedno– lub wielowarstwowych. Stosuje się powłoki o dużej rezystywności (≥1012 Ωm) i dużej wytrzymałości na przebicie prądem o wysokim napięciu (≥10 kV/mm). Nakładanie i konserwacja szczelnych i trwałych warstw to działania trudne i kosztowne. Stosowanie powłok o niższej jakości, wspomaganych elektrochemicznie – prądem polaryzacji katodowej – jest często bardziej uzasadnione ekonomicznie[1].

Ochrona katodowa galwaniczna[edytuj | edytuj kod]

Galwaniczna ochrona katodowa
Układ śruba statku-poszycie jest w wodzie morskiej ogniwem korozyjnym. Śruba statku jest katodą w stosunku do poszycia w jej otoczeniu (korodująca/rozpuszczająca się anoda). Ochronę poszycia zapewniają celowo montowane obok śruby dodatkowe elementy (protektory) - kształtki z materiału mniej szlachetnego, które przejmują funkcje anody. Po zużyciu są wymieniane na nowe[3]
Układ śruba statku-poszycie jest w wodzie morskiej ogniwem korozyjnym. Śruba statku jest katodą w stosunku do poszycia w jej otoczeniu (korodująca/rozpuszczająca się anoda). Ochronę poszycia zapewniają celowo montowane obok śruby dodatkowe elementy (protektory) - kształtki z materiału mniej szlachetnego, które przejmują funkcje anody. Po zużyciu są wymieniane na nowe[3]

W przypadku galwanicznej ochrony katodowej, są używane wymienne kształtki, wykonane z materiału o niskim potencjale, montowane bezpośrednio na chronionej konstrukcji. W otoczeniu styku na powierzchni chronionej zachodzą reakcje katodowe, np. redukcja tlenu. Chroniony metal nie koroduje dzięki korozji protektora.

Materiały i urządzenia[edytuj | edytuj kod]

Anody galwaniczne muszą się charakteryzować wystarczająco niskim potencjałem i brakiem tendencji do polaryzacji (małe zmiany potencjału w czasie pracy, np. wskutek osadzania się tlenków). Stosuje się np. anody magnezowe, cynkowe, aluminiowe. Do czystych metali są wprowadzane dodatki stopowe, zmniejszające skłonność do pasywacji i szybkość korozji własnej oraz zwiększające równomierność roztwarzania. Do magnezu dodawany jest np. mangan, co obniża potencjał elektrody[1]. Protektory[4]:

  • magnezowe (powszechnie stosowane w gruncie[1]) zawierają dodatki 5-7% Al, 2-4% Zn, min. 0,15% Mn; mają niski potencjał, lecz ich sprawność jest niewielka (ok. 55%)[1]
  • cynkowe (najczęściej stosowane w wodzie morskiej), to czysty 99,99% lub stop zawierający<0,1-0,15% Hg, 0,12-0,15% Al, 0,05-0,1% Cd; są tańsze od magnezowych, należą do grupy protektorów niskopotencjałowych o wysokiej skuteczności (90%)
  • aluminiowe, są stosowane tylko w postaci stopów z Zn (do 6%), Sn (0,1-1%) oraz In, Hg, Sn; są protektorami niskopotencjałowymi o sprawności 80%

Do do ochrony instalacji ze stopów miedzi stosuje się protektory ze stali węglowej[4].

Potencjały korozyjne anod magnezowych wynoszą ok. 1,5 do -1,7 V względem elektrody odniesienia Cu/nasyc. CuSO4. W obwodzie ochronnym osiągane jest napięcie 0,6–0,8 V. Anody są umieszczane w gruncie w workach, zawierających aktywator, czyli mieszaninę bentonitu (20% obj.), gipsu (75%) i siarczanu sodu (5%). Bentonit z siarczanem sodu są wprowadzane w celu utrzymania właściwej wilgotności i rezystancji otoczenia anody, gips poprawia równomierność roztwarzania. Ochrona galwaniczna wymaga odizolowania chronionej konstrukcji od wszystkich instalacji uziemionych. Jest to niemal niewykonalne w sytuacji baz paliw, w których wszystkie urządzenia są zwykle połączone systemem instalacji odgromowej i nie izolowanymi rurociągami[1].

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Ocena możliwości zastosowania ochrony galwanicznej jest trudna - wymaga rozpatrzenia wielu informacji na temat konstrukcji instalacji oraz cech środowiska pracy (np. rezystancja i jej zmienność; wilgotność i pH gruntu, zasolenie wody, obecność prądów błądzących i instalacji odgromowych)[1][4][10].

W odniesieniu do instalacji eksploatowanych w gruncie metoda jest stosowana, gdy mają one niewielkie wymiary (np. zbiorniki paliw w gruncie lub w kopcach ziemnych), są dobrze izolowane i znajdują się w środowisku o małej rezystancji. Znaczenie wymienionych ograniczeń maleje w miarę wzrostu jakości stosowanych powłok ochronnych (powłoki dobrze izolujące i trwałe umożliwiają stosowanie mniejszych wartości prądu ochronnego. Nawet w gruncie o wysokiej rezystantywności 100-200 Ωm niezbędną gęstość prądu ochronnego można osiągnąć przy użyciu niewielu anod galwanicznych[1].

Anody galwaniczne nie nadają się, ze względu na duże zapotrzebowanie prądu, do ochrony dużych instalacji, które[1]:

  • są niewystarczająco izolowane od otoczenia
  • kontaktują z gruntem o różnych właściwościach
  • są połączone instalacją odgromową naziemnych części konstrukcji

na przykład do ochrony orurowania otworów wiertniczych lub dużych zbiorników paliwowych (>500m3) o osi pionowej, które zwykle nie są izolowane, a są połączone z siecią odgromową i siecią nie izolowanych rurociągów[1].

Rurociągi i zbiorniki o osi poziomej i niewielkiej pojemności (do 50m3 dla paliw płynnych i do kilku m³ dla gazu płynnego) mogą być ochraniane galwanicznie, jeżeli[1]:

  • nie są połączone z siecią uziemiającą (bezpośrednio ani pośrednio)
  • są pokryte powłokami o wystarczającej rezystancji (rząd 104 Ωm2)

Zakres zastosowań jest rozszerzony na nowo projektowane zbiorniki podziemne i zakopcowane o większych pojemnościach (do kilkuset m³), ponieważ w ich projektach przewiduje się stosowanie powłok o zwiększonej trwałości i rezystantywności oraz gwarantowanych zabezpieczeń przed kontaktem z sąsiednimi instalacjami uziemionymi[1].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 1,12 1,13 1,14 Maciej Markiewicz, Paweł Stochaj. Ochrona katodowa zbiorników za pomocą anod galwanicznych. „Nafta-Gaz”. LXVI (6), s. 49-499, 2010.06.10 (pol.). 
  2. Maciej Markiewicz, Paweł Stochaj. Ochrona katodowa zbiorników za pomocą anod galwanicznych. „Nafta-Gaz”. LXVI (6), s. 49-499, 2010.06.10 (pol.). 
  3. 3,0 3,1 3,2 Krystyna Moskwa, Bogusław Mazurkiewicz: Korozja i ochrona przed korozją. W: skrypt AGH [on-line]. www.chemia.odlew.agh.edu.pl. [dostęp 2011-04-20]. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-04-21)].
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Barbara Surowska: Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozją. Lublin: Politechnika Lubelska, 2002, s. 1-143.
  5. Corrosion Thermodynamics: Potential-pH-diagram: iron. www.corrosion-doctors.org. [dostęp 2011-04-29].
  6. Corrosion Thermodynamics; Potential-pH-diagram: aluminum (ang.). www.corrosion-doctors.org. [dostęp 2011-04-29].
  7. 7,0 7,1 Gustaw Kortüm: Elektrochemia. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1970.
  8. 8,0 8,1 Marcel Pourbaix: Wykłady z korozji elektrochemicznej. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1978.
  9. A. Stankiewicz, J. Nowatkowski. Korozja stalowych konstrukcji budowli hydrotechnicznych w portach polskiego wybrzeża morskiego. „Inżynieria Morska i Geotechnika”, s. 311 315, 2006. IMOGEOR, Spółka z o.o.; BazTech. 
  10. 10,0 10,1 10,2 10,3 Mieczysław Bartoszewski, Stefan F. Filipowicz. Wybrane zagadnienia ochrony katodowej rurociągów przed korozją. „Prace Instytutu Elektrotechniki”, s. 97-112, 2007. Politechnika Warszawska. 
  11. Justyna Kuziak, Ochrona zbrojenia przed korozją w elementach żelbetowych, Prace Katedry Inżynierii Materiałów Budowlanych, Politechnika Warszawska, według www.il.pw.edu.pl, data dostępu: 2011-04-21

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]