Предотвращение коррозии и катодная защита

Тема защиты от коррозии обсуждается уже много лет, однако долгое время ей не уделялось должного внимания. В последние годы, с началом процесса интеграции в Европейский союз, под влиянием зарубежных стандартов и иностранных инвесторов, а также благодаря увеличению числа квалифицированных и подготовленных специалистов в нашей стране, эта тема постепенно начинает занимать заслуженное место. В то время как экономические потери из-за коррозии в развитых странах составляют около 1 % валового внутреннего продукта, в слаборазвитых и развивающихся странах этот показатель достигает 5 %. Для нашей страны это означает потерю ресурсов в объёме, который мы не можем себе позволить. В системах внешней молниезащиты и заземления коррозия представляет собой серьёзную проблему как с точки зрения срока службы, так и надёжности систем. Особенно молниеотводы и материалы для заземляющих установок, изготовленные вне стандартов, за короткое время подвергаются коррозии и ставят под угрозу надёжность систем.

Защита солнечной электростанции, повреждённая в результате коррозии

Для нас, инженеров-электриков, политика отказа от продукции, не соответствующей стандартам, вновь приобретает особую значимость. Разрушение материалов со временем под воздействием окружающей среды определяется как коррозия. Материалами, наиболее подверженными коррозии, являются металлы, поскольку они обладают высокой склонностью к электрохимическим реакциям. Степень коррозии металлов связана с их сродством к кислороду. Металлы, устойчивые в свободном состоянии (например, титан), обладают более высокой коррозионной стойкостью, тогда как металлы с более высоким сродством к кислороду (например, железо) легче подвержены окислению. Помимо сродства к кислороду существует множество других факторов. Так, алюминий благодаря высокому сродству к кислороду обладает высокой коррозионной стойкостью: его поверхность очень быстро окисляется, и после полного образования оксидного слоя процесс окисления прекращается, защищая нижележащие слои. В быту коррозию железа называют ржавлением. Ржавчина — это продукт коррозии с формулой Fe(OH)₂. Среди всех видов коррозии наиболее опасной и значимой является коррозия железа. Простота производства и низкая стоимость привели к широкому применению стали и железа. Особенно в трубопроводах и резервуарах металл покрывается защитными слоями для предотвращения коррозии; однако при повреждении покрытия хотя бы в одной точке механизм коррозии начинает быстро развиваться именно с этого места.

Коррозия трубы, используемой на промышленном объекте

Одним из важнейших факторов, вызывающих коррозию, является выбор материала. При установках, выполненных вне стандартов и без соблюдения правил, возникновение коррозии неизбежно, а периодичность обновления установок сокращается. Одной из причин коррозии также является совместное использование металлов с разной разностью потенциалов. Это фактор, который инициирует и ускоряет коррозию. Распространённой ошибкой является использование нержавеющих болтов и креплений на кровлях или фасадах из стального листа, что приводит к гальванической коррозии. В таких случаях крепёжные элементы должны быть изолированы от основной поверхности с помощью пластиковых прокладок. Ещё одним фактором является неравномерная концентрация растворённого воздуха в почве. Системы, расположенные рядом, но находящиеся в различных условиях аэрации, могут в одном месте выполнять роль анода, а в соседнем — катода, что вызывает электрохимическую коррозию. Кроме того, в зонах с низким удельным электрическим сопротивлением почвы высокая проводимость делает ионную среду более активной, вследствие чего коррозионный механизм развивается быстрее. Исследования показывают, что одной из самых частых причин коррозии является различие потенциалов между покрытым и непокрытым металлом. При повреждении или пробое покрытия из-за дефектов монтажа эти участки становятся анодами и подвергаются коррозии. Такой вид коррозии локализуется на небольших участках поверхности металла и может быть предотвращён с помощью правильных мер.

В качестве итоговых рекомендаций по защите установок от коррозии можно привести следующее:

1- Использование продукции, изготовленной в соответствии со стандартами (TS EN 62305, EN 50164-1-2 …)

2- Правильный выбор материалов: подбор металлов, соответствующих рабочей среде и не образующих гальванические пары, является важнейшим условием предотвращения коррозии ещё до её возникновения.

3- Нанесение покрытий на основе научных исследований: эпоксидные, битумные, полиэтиленовые, гальванические и другие покрытия изолируют металл от внешней среды и предотвращают электрохимическую коррозию.

4- Корректное проектирование: при проектировании систем необходимо учитывать возможные причины коррозии и принимать превентивные меры. Например, использование антикоррозионной ленты в точках соединения в проектах заземления оказывает выраженный защитный эффект.

Среди мер защиты от коррозии наиболее эффективной и широко применяемой является катодная защита. Основные принципы катодной защиты основаны на теории электрохимической коррозии. Катодная защита требует поляризации корродирующего металла в качестве катода. Это может быть достигнуто либо путём соединения защищаемого металла с более активным металлом (гальванический или жертвенный анод), либо путём подачи внешнего тока. Гальванические аноды в процессе защиты постепенно растворяются и теряют массу; их периодическая замена обеспечивает непрерывность защиты. Во втором методе пара «защищаемый металл — анод» не обязана генерировать ток самостоятельно, так как необходимый ток подаётся от внешнего источника. В качестве анодных материалов используются экономичные и медленно растворяющиеся материалы. В системах катодной защиты с гальваническими анодами обычно применяются цинк, алюминий и магний, а в системах с внешним источником тока — аноды на основе Fe-Si, Pb-Sb-Ag и Ti. Катодная защита изменяет потенциал корродирующего металла (металла, который в коррозионной системе ведёт себя как анод), заставляя его функционировать как катод. Если защищаемая конструкция с помощью нерастворимого благородного анода подключается к цепи постоянного тока в качестве отрицательного полюса, такой вид защиты называется КАТОДНАЯ ЗАЩИТА С ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ ТОКА. Другой вид катодной защиты заключается в использовании более активного металла в качестве анода, образовании искусственной гальванической пары и передаче электронов защищаемой конструкции, превращая её в катод; этот метод называется КАТОДНАЯ ЗАЩИТА С ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ АНОДОМ. Цель катодной защиты — поляризовать металл отрицательно по отношению к электролиту ниже определённой потенциальной кривой, тем самым защищая его от коррозии. В результате на каждую единицу площади металлической конструкции непрерывно подаётся ток. Плотность тока зависит от сопротивления покрытия и разности потенциалов в данной зоне. Следовательно, критерием выбора защиты является минимальный потенциал, который металл должен иметь по отношению к земле или морской воде. Измерения обычно выполняются с использованием медь/медносульфатного электрода сравнения.

В этих условиях катодная защита для железа обеспечивается при потенциалах ниже –850 мВ, а для меди — ниже –250 мВ. Необходимо, чтобы минимальный потенциал был достигнут в каждой точке металла, находящейся в контакте с электролитической средой. Коррозия и катодная защита являются чрезвычайно важными научными аспектами для систем молниезащиты и заземления. Для предотвращения коррозии установок необходимо исключить производство и монтаж, не соответствующие стандартам, поскольку коррозия снижает как надёжность работы систем, так и уровень безопасности людей.