Катодное покрытие: виды получения и сферы использования

Катодное покрытие относится к электрохимическим методам защиты металла и находит широкое применение в различных отраслях: от газо- и нефетпроводов до корабельного и автомобильного производства.

Существует несколько технологий нанесения катодного покрытия в зависимости от объекта защиты и условий его эксплуатации. В нашей статье мы расскажем о них, поговорим о сферах применения катодных покрытий и разберемся в устройстве специальных станций для их нанесения.

Понятие и способы нанесения катодных покрытий

Коррозия всех типов – настоящий бич изделий, как из железа, так и из иных металлов (например, меди). Катодное покрытие – это универсальный, наиболее дешевый и эффективный метод электрохимической защиты таких объектов. В основе принципа защиты лежит минимизация контакта защищаемого металлического изделия с агрессивной средой.

Достигается это путем наведения на поверхность изделия отрицательного электрического потенциала. Этот заряд взаимодействует с ионами окружающей среды, отталкивая их и тем самым оберегая от реакции саму металлическую поверхность.

Данный способ защиты был изобретен англичанином Гемфри Дэви еще на заре появления электро-магнитной теории поля (примерно 200 лет назад). Его доклады, переданные английскому правительству, достигли своей цели. На основании выводов, содержащихся в них, была проведена первая в мире успешная процедура электрохимической защиты крупного стального судна.

Использование подстанции

Чтобы осуществить наведение электрического заряда на поверхность защищаемого изделия, его необходимо подключить к источнику электрического напряжения (сейчас для этого используют специальные подстанции с контролируемым уровнем разности потенциалов). В таком случае защищаемый объект – это катод, а сама подстанция – анод.

Через объект протекает электрический ток, поляризуя атомы и наводя на них перманентное электрическое поле. Активные частицы внешней среды, имеющие свой заряд (ионы), при этом будут отталкиваться от поверхности, не достигая атомов оберегаемого объекта и, как следствие, не вступая с ним в химическую реакцию окисления. В этом суть катодного покрытия.

Следует обратить внимание, что такая технология не требует никаких дорогостоящих материалов – всю работу выполняет только электрический ток. Поэтому этот способ защиты особенно востребован среди масштабных объектов – огромных как по своей массе, так и по площади поверхности, а также объектов повышенной ответственности (под последними подразумеваются мосты, фермы промышленных конструкций, оборудование дорог).

Гальваническая поляризация

Этот способ представляет собой весьма оригинальный метод решения проблемы наличия автономного электропитания. Защищаемый объект в этом случае присоединяется к другому металлу, обладающему отрицательным зарядом (здесь металлы катодного покрытия – это алюминий, цинк или магний). Однако следует помнить, что благодаря так называемому стеканию заряда будет происходить постепенное размагничивание защищаемой поверхности, и источник электромагнитного поля будет разряжаться.

Технология катодной поляризации

Катодная поляризация предусматривает использование наложенного тока. Здесь уже требуется внешний источник энергии или, как компромисс, внешний проводник. Ионизированная частица попадает под действие кулоновской силы притяжения к отрицательно заряженному защитному элементу. В результате «коррозийная» частица утилизируется на этом защитном элементе.

Минусом технологии является то, что эти элементы постепенно приходят в негодность, покрываясь ржавчиной. Они расходуются, приносятся в жертву для того, чтобы не корродировала защищаемая поверхность. Поэтому данная технология по-другому называется методом «жертвенного электрода».

Также необходимо учитывать фактор напряжения. Со временем расходуется не только электрод, но и стекает заряд, эффективность защиты падает еще больше. Для того чтобы максимально возможно сохранить функциональность системы, стараются минимизировать разницу уровня электрической мощности в контуре, в защищаемой поверхности и в жертвенном материале.

Сферы применения катодных покрытий

Для каких металлических изделий эффективно катодное покрытие от коррозии? Оно продуктивно для таких металлов, как:

• все виды черных сталей;
• цинк;
• олово;
• алюминий;
• титан;
• медь.

А теперь более подробно перечислим защищаемые таким способом объекты:

• металлические резервуары (особенно, для горюче-смазочных материалов);
• свайные фундаменты (а точнее, арматура для них, да и для всех массивных конструкций из бетона в целом);
• фундаменты и элементы конструкций для мостов и причалов;
• днища судов (и кораблей);
• классические нефте- и газопроводы, а также водопроводы.

Нюансы использования катодных покрытий для трубопроводов

Источниками больших аварий на трубопроводах, как правило, служат маленькие коррозии: трещины, микроразрывы, образование щелей и пр. Все это ведет к одному – к нарушению герметичности внутренней полости. Больше всего риску подвержены трубопроводы, расположенные под землей. И здесь дело совсем не в «сырости подземелья» и не в том, что трудно выявить дефект.

Массив земли является огромным проводником с уже давно наведенными и устоявшимися электрическими полями со своими электрическими потенциалами на разных участках.

Трубопровод проходит сквозь множество участков (электрических полей), в результате чего в нем создается перетекание заряженных частиц вследствие разности потенциалов – электролитическая диссоциация на микроуровнях. Ионы вступают в реакцию с металлом трубопровода – в результате образуется классическая ржавчина, то есть та самая коррозия.

Трубопровод – промышленный объект большой протяженности, а потому его катодные защитные покрытия должны отличаться надежностью и стабильной работой. Как правило, задействуются две стандартные схемы:

• метод катодной поляризации;
• создание внешних подстанций.

Для защиты металлических элементов трубопровода от коррозии его электрический потенциал должен быть уменьшен в сравнении с потенциалом земли и поддерживаться на этом уровне. При этом:

• современные трубы обладают потенциалом на уровне 0,8–0,9 вольт.
• у большинства грунтовых пород потенциал составляет от 0,5 до 0,6 вольт.

Таким образом, для обеспечения эффективной защиты нужно уменьшить потенциал трубы всего лишь на 0,3–0,4 вольта. И если все будет сделано правильно (а особое внимание нужно уделить корректному формированию контура), то скорость прироста ржавчины не превысит 1 мм в год.

Внешние подстанции – самый распространенный метод обеспечения питания системы электрохимической защиты для трубопроводных объектов. Но подстанция – это преобразователь, а вовсе не источник энергии, поэтому для ее запитки обычно используют параллельно проходящие ЛЭП с напряжением от 0,5 до 10 кВ.

Получается, что при укладке трубы нужно еще тянуть и линию электропередач, чтобы труба не разрушилась под землей через десяток лет. На больших расстояниях это становится слишком дорого, а потому в таких случаях прибегают к строительству локальных источников генерации.

Совокупность минусов подталкивает разработчиков к тому, чтобы использовать для поляризации технологию гальванических анодов. Но условием ее применения является относительно низкое удельное сопротивление земельных массивов, в которые укладывается трубопровод (не более 50 Ом на 1 м2). Если будет больше, то выполнить поляризацию станет практически невозможно.

Устройство станций катодной защиты

Станции катодной защиты (или СКЗ) состоят из:

• элемента анодного заземления;
• источника тока;
• пункта измерения и контроля (ПИКа);
• соединительных кабелей.

Под источником тока подразумевается подключение к сети или же к автономному генератору (также для этого задействуются аккумуляторы высокой емкости). Одна СКЗ может обслуживать сразу несколько ниток трубопровода, но так получается дороже в связи с увеличением длины требуемых проводов.

Соединение одной станции с несколькими нитками трубопровода осуществляется с помощью особых блоков, которые препятствуют формированию гальванических пар с сильной напряженностью электрического поля в глухих перемычках между трубами. Блоки как бы изолируют отдельные трубы друг от друга, а значит, можно сформировать потенциал для каждой из них в отдельности. Таким образом, вырабатывается максимально эффективная защита от коррозии.

Регулировка выходного напряжения на станциях осуществляется либо автоматически (с использованием тиристоров), либо вручную оператором. С развитием и удешевлением компьютерной техники предпочтение отдается системам, регулирующим напряжение на каждом участке самостоятельно.

Автоматическое регулирование осуществляется по одному из двух показателей:

• уровень тока защиты (гальваностатические преобразователи);
• электрический потенциал защищаемого объекта (потенциостатические преобразователи).

Катодные покрытия для автомобиля

Теперь несколько слов о защите от коррозии автомобильного транспорта. Несмотря на то, что транспортные средства в тысячи раз уступают по массивности таким объектам, как трубопроводы, они также изначально беззащитны перед ржавчиной. И источником коррозии может стать любая, даже совсем незаметная глазу царапина.

Для предохранения от ржавления в таких случаях чаще всего используется катодная технология. Она наиболее эффективна еще и потому, что кузова и другие части машин обычно покрываются защитными грунтовками, мастиками и прочими защитными слоями. Поэтому достаточно подать электрический потенциал на требуемую деталь или элемент кузова, чтобы на несколько порядков замедлить его ржавление.

Катодами в данном случае выступают пластины из проводника, накладываемые на наиболее подверженные коррозии элементы машины. Анодом же является основной корпус автомобиля. В такой системе «жертвенными электродами» становятся именно катодные пластины, а металл кузова остается целым.

Узлами автомобиля, которые нуждаются в защите по катодной технологии, являются:

• днище;
• арки задних колес;
• гнезда фар и подфарников;
• сочленения крыльев и элементов подвески;
• дверные пороги;
• пространство за щитками передних колес.

Для того чтобы собрать такую эффективную долгодействующую электрохимическую защиту, нужно приобрести и установить электронный модуль управления и набор пластин-протекторов. Модуль монтируется внутри кузова и подключается к бортовому питанию (причем он должен функционировать даже при выключенном двигателе). Пластины же закрепляются в указанных в перечне местах и соединяются проводами с модулем управления. При должной сноровке на монтаж системы уйдет не более 15 минут.

Пластины («жертвенные электроды») бывают различных размеров – в зависимости от того, насколько сильна потенциальная коррозия в месте эксплуатации автотранспорта. Кроме того, на одну деталь или узел их можно устанавливать сразу несколько – длительность и эффективность защиты будет выше.

Другой пример катодного покрытия касается неподвижно стоящего автомобиля (например, в гараже). Здесь все можно сделать еще проще – достаточно подсоединить плюсовую клемму аккумулятора к… корпусу металлического гаража. Тогда кузов машины определенно будет иметь меньший потенциал (напряженность электрического поля). Однако во избежание образования искры следует в обязательном порядке использовать в цепи резистор.