Главное звено в защите от почвенной коррозии

Совершенствование системы методов защиты от коррозии является актуальной задачей многих отраслей современной экономики. Одним из основных звеньев системы катодной защиты от почвенной коррозии являются анодные заземлители. В настоящее время номенклатура используемых материалов и конструкций изделий непрерывно расширяется.

Анодный заземлитель является основным элементом в катодной защите от коррозии. Правильный выбор заземлителя и его расположения к защищаемому объекту позволит обеспечить эффективность катодной защиты, тем самым гарантируя долговечность и работоспособность защищаемой металлической конструкции. Для обеспечения достаточной долговечности работы установки катодной защиты аноды должны быть изготовлены из материалов, стойких к окислению в условиях эксплуатации. К важнейшим факторам, характеризующим свойства анода и определяющим его практическую пригодность, относятся скорость его коррозии и допустимая плотность тока. В каждом случае следует стремиться к оптимальному распределению тока и потенциала на защищаемой поверхности, что обеспечивается наименьшим сопротивлением растеканию тока анода.

Основное требование, предъявляемое к анодному заземлителю, – малая скорость анодного растворения. Основным материалом для анодного заземления является сталь. Но параллельно со сталью стали использовать материалы, специально созданные для изготовления слаборастворимых анодов катодных станций.

В таблице 1 приведен перечень основных материалов, используемых для анодных заземлителей.

Анодный материал	Скорость растворения, q, кг/(А*год)
Сталь Чугун Графит Ферросилид Свинец+серебро Магнетит Платина	10 4…5 0,6…1,5 0,1…0,3 0,04…0,08 0,002 ~ 0

ТАБЛИЦА 1. Материалы анодных заземлителей

Наиболее широкое применение получили железокремнистые (ферросилидовые) электроды для анодных заземлителей. В состав железокремнистых сплавов С14...С17 входит 14...17% кремния (Si) из кварцевого песка. Плотность ферросилида 7000...7200 кг/м³. Он очень хрупок и трудно поддается механической обработке резанием.

Сталь по своей долговечности является самым худшим из применяемых материалов. Однако до сих пор используется как основной материал для создания анодных заземлителей. Связано это с легкодоступностью. Проблема применения стальных электродов усугубляется еще и тем, что через 1-2 года стальной заземлитель может прекратить свою работу, далеко еще не растворившись полностью. Особенно это касается вертикальных электродов из труб. Если труба при ее установке плотно вбивается в пробуренную скважину, то твердые продукты коррозии, беспрерывно образующиеся в процессе растворения, постепенно уплотняясь, создают слой высокого электрического сопротивления, который вызывает медленное, но верное уменьшение рабочего тока электрода до полного его прекращения. Эра стальных анодных заземлителей все же заканчивается, тем более что существует ряд альтернативных материалов.

Графитовые электроды в свое время были названы «нерастворимыми», но позже, как это следует из табл. 1, потеряли свой приоритет, однако все еще широко применяются.

Графит имеет электронную проводимость с удельным электрическим сопротивлением (2...5)^.10⁻⁵ Ом*м, плотностью 1600...2100 кг/м³. Скорость растворения графита слабо зависит от плотности анодного тока. Основным недостатком графитовых электродов является хрупкость.

Магнетит, формула которого Fe₃O₄, можно отнести к окислам железа, т.е. к ржавчине – конечному продукту коррозии. Поэтому как можно от такого вещества ожидать еще какой-либо потери массы при анодной нагрузке, если уже все потеряно? К тому же магнетит не диэлектрик, имеет электронную проводимость и может использоваться в электрических цепях. Его удельное электрическое сопротивление велико, но сравнимо с удельным сопротивлением графита, т.е. порядка ρ = (5...10)^*10⁻⁵ Ом*м.

Магнетит встречается в природе как железная руда. Изделия из магнетита отливают при высокой температуре со специальными добавками. Литой электрод гладкий, твердый и плотный как стекло.

Расход материала под токовой нагрузкой чрезвычайно мал и составляет 1...2 г / (А*год), т.е. в 1000 раз меньше, чем у графита и в 10000 раз меньше, чем у железа. Рабочая плотность тока – 90...200 А/м².

В отечественном производстве магнетитовые электроды не нашли свое место.

Анодные заземлители используются в составе установки катодной защиты для обеспечения стекания защитного тока в грунт.

Выбор типа, конструкции, количества и расположения анодных заземлителей осуществляется на этапе проектирования ЭХЗ на основании данных предпроектных изысканий.

По конструкции, а также расположению относительно защищаемого сооружения, анодные заземлители классифицируются по следующим типам: сосредоточенные, распределенные, глубинные или протяжные.

Выбор материала анодного заземлителя следует осуществлять в зависимости от условий эксплуатации (см. таблицу 2).

Условия эксплуатации	Материал рабочего элемента анодного заземлителя
Морская и пресная вода, низкоомные грунты (УЭС не более 20 Ом*м), прочие среды с высокой коррозионной агрессивностью	Магнетит; платинированный титан, ниобий или тантал; оксидированный титан; свинцово-серебрянный сплав
Среды с высокой и средней коррозионной агрессивностью при УЭС до 100 Ом*м	Ферросилид
Грунты с пониженной влажностью	Графит
Любые грунты	Графитонаполненный полимер (резина)

ТАБЛИЦА 2. Выбор материала рабочего элемента анодного заземлителя

Как правило, потребители обращают основное внимание на предельную плотность тока при которой анодный заземлитель может работать, и на скорость растворения. Но стоит обратить внимание и на распределение тока и потенциала по длине защищаемой конструкции, ведь этот фактор определяет рабочее плечо защиты заземлителя, что в конечном итоге может позволить потребителю сэкономить.

На основании этого были проведены исследования различных типов материалов.

Исследованию подвергали материалы анодных заземлителей: ферросилид (высококремнистый чугун), материал электрода ЭГТ (графит), сталь СТ 3, ферросилид с магнетитовым покрытием. Для каждого материала проводили измерения в почвенных условиях, направленные на оценку переходного сопротивления и сопротивления растеканию.

Переходное сопротивление заземлитель-грунт рассчитывали по вольтамперной характеристике заземлителя, получаемой гальваностатическим методом. Задавали значение тока, по прошествии времени стабилизации потенциала фиксировали полученное значение, после чего ток увеличивали и повторяли измерение потенциала.

РИС. 1. Схема лабораторного макета для определения переходного сопротивления заземлитель-грунт и распределения потенциала вдоль защищаемой конструкции

Расчет переходного сопротивления заземлитель-грунт проводили по вольтамперным характеристикам макетов заземлителей (рис. 2, табл. 3). Данные характеристики имеют сложную форму и содержат участки отрицательных и положительных поляризационных сопротивлений.

№ замера	Сталь		Графит		Ферросилид		Оксидированный ферросилид
	I, mA	E, V	I, mA	E, V	I, mA	E, V	I, mA	E, V
1	5	-0,303	5	1,406	5	0,447	2	0,227
2	10	-0,321	10	1,48	10	0,352	3	0,331
3	15	-0,441	15	1,531	15	0,976	5	0,528
4	20	-0,423	20	1,563	20	1,257	7	0,692
5	25	-0,409	25	1,596	25	1,327	9	0,861
6	40	-0,366	30	1,573	30	1,378	11	0,986
7	50	-0,339	35	1,606	35	1,429
8	60	-0,362
9	70	-0,385

ТАБЛИЦА 3. Вольтамперные характеристики макетов анодных заземлителей в почвенных условиях

Для стали отрицательные поляризационные сопротивления появляются при малых плотностях тока и связаны с процессами активного растворения, приводящими к росту поверхности электрода. По мере накопления продуктов растворения ионов Fe²⁺ происходит их окисление и гидролиз с образованием ржавчины, в результате при более высоких плотностях тока поляризационное сопротивление становится положительным. Практически линейная вольтамперная характеристика характерна для оксидированного ферросилида, что означает протекание анодного процесса на неизменной поверхности электрода. Для ферросилида начальный участок отрицательного поляризационного сопротивления соответствует активному растворению, которое быстро сменяется пассивацией, сопровождающейся возрастанием сопротивления, после чего на запассивированной поверхности начинаются процесс выделения кислорода, характеризующийся меньшим поляризационным сопротивлением. На графитовом электроде участок отрицательных поляризационных сопротивлений появляется при больших плотностях тока, что соответствует пропитке и частичному механическому износу электрода, в результате чего увеличивается его поверхность.

С учетом полученных данных можно оценить удельное (по площади) поляризационное сопротивление, являющееся переходным сопротивлением заземлитель-грунт:

а также пересчитать его на площадь реального заземлителя и оценить вклад скачка потенциала на границе заземлитель-грунт в общее напряжение станции катодной защиты. При пересчете использовали формулу:

где R_з – сопротивление заземлителя
R_п – сопротивление макета
S_м – площадь макета
S_з – площадь заземлителя

Скачок потенциала оценивали по закону Ома при плотности тока на заземлитель 1,5 А/м²:

где I – сила тока
R_з – сопротивление заземлителя

Рассчитанные значения поляризационных сопротивлений и скачков потенциала на разных электродах анодных зазаемлителей приведены в таблице 4.

ТАБЛИЦА 4. Поляризационные сопротивления заземлителей и соответствующие им скачки потенциала

Полученные данные свидетельствуют о значительных поляризационных сопротивлениях графита и ферросилида вследствие пассивации первого и характере процессов на втором. На оксидированном ферросилиде сопротивление снижается из-за пористости покрывающего магнетитового слоя. Высокие значения составляющих общего напряжения станции катодной защиты могут быть снижены за счет применения коксо-минерального активатора, применение которого в почве является необходимым.

Для количественной оценки распределения потенциала вдоль защищаемой конструкции зависимость потенциала от расстояния до оси заземлителя аппроксимировали прямой линией:

а в качестве оценки использовали значение углового коэффициента. Чем меньше значение этого параметра, тем большую длину защитной зоны можно ожидать в условиях реальной эксплуатации.

Как следует из данных рисунка 9 угловой коэффициент распределения потенциала зависит как от природы заземлителя, так и от величины тока. Для всех исследованных материалов с ростом тока возрастает и неравномерность распределения потенциала, что связано в основном с масштабами и длиной защищаемой конструкции

Сравнивая различные материалы анодных заземлителей, можно отметить, что наиболее равномерное распределение потенциала, а значит, и длина защитной зоны будет наблюдаться у оксидированного ферросилида, несколько меньшей она будет у стали и существенно меньше у обычного ферросилида и графита. При этом в диапазоне токов до 20 мА (1,5 А/м²) графит будет обеспечивать значительно большее плечо защиты.

Проведенные исследования показывают, что для выбора критериев оценки материалов анодных заземлителей необходимо использовать не какой-то один параметр (чаще всего используют скорость растворения), а проводить оценку длины защитной зоны и переходного сопротивления в разных диапазонах плотностей тока.

В широком диапазоне плотностей защитного тока большое плечо защиты и минимальные энергозатраты обеспечит сталь (стальной лом), однако срок службы такого материала будет очень мал, в связи с чем его можно рекомендовать для поверхностных заземлений, для которых затраты на установку не столь велики.

Для повышенных плотностей тока графит по сравнению с другими материалами повышенной стойкости будет обеспечивать минимальные энергозатраты на катодную защиту, но несколько меньшую длину защитной зоны, в связи с чем представляется обоснованным его применение в сухих и песчаных грунтах с высоким удельным сопротивлением.

Необходимо отметить, что комплексные лабораторные исследования материалов анодных заземлителей повышают достоверность проектирования электрохимической защиты.

ООО «Донкарб Графит», одно из ведущих предприятий, занимающихся выпуском графитовых электродов (ЭГТ) для анодных заземлителей, уделяет огромное внимание вопросам совершенствования собственной продукции. Совершенствуя материал и конструкцию анодных заземлителей, технологи и конструктора предприятия руководствуются не только такими параметрами, как скорость растворения и предельная плотность тока, но и такими параметрами, как сопротивление растеканию и распределение потенциала по поверхности защищаемой конструкции. Все это делается для обеспечения наилучшего качества продукции.

В ближайшее время «Донкарб Графит» сможет предложить потребителю графитовые анодные заземлители повышенной стойкости. Работая при больших плотностях тока, они смогут обеспечить значительно больший срок службы, благодаря более низкой скорости растворения, а также обеспечат эффективное распределение потенциала по поверхности защищаемой конструкции. Заземлители позволят потребителям не только сохранить трубопроводы в целости, но и сэкономить.

Качество и надежность производимого оборудования находятся для ООО «Донкарб Графит» на первом месте!

Адрес: 346413, Российская Федерация, Ростовская область,
г. Новочеркасск, Алюминиевая площадка
Тел.: 8-800-250-76-73
Факс: 8-86-35-23-41-16
E-mail: [email protected]