Почвенная коррозия

Литейные сплавы магния с цинком и алюминием, такие как МЛ-3 — МЛ-6, могут быть использованы для изготовления протекторов. Однако более лучшими сплавами являются МЛ-4 и МЛ-5. Протекторы из них имеют значительный отрицательный электродный потенциал, небольшую поляризуемость, способность растворяться с образованием рыхлых продуктов коррозии, что и определяет высокую эффективность работы этих протекторов.

Магниевые протекторы МГА (ВНИИСТа) из сплава МЛ-5 широко применяют при защите магистральных трубопроводов и других конструкций от почвенной коррозии.

В магниевом сплаве сумма загрязнений должна быть не больше 0,6 %, в том числе железа не больше 0,15 %. Стальной сердечник, устанавливаемый в кокиль, должен иметь чистую поверхность, без следов окалины  и  коррозии.

К сплаву должно плотно прилегать не менее 80% поверхности сердечника. Это можно определять визуально при рассмотрении шлифов.

Поверхность протектора также должна быть чистой. В отливках не допускается  трещин  и  флюсовых   включений.

В случае длительного хранения протекторы подвергаются консервации.

Сернокислый магний и сернокислый натрий образуют легко растворимые соединения с продуктами растворения протектора, чем обеспечивают постоянство его потенциала и уменьшают сопротивление растеканию протектора.

Сернокислый магний и сернокислый натрий представляют собой соли, растворимые в воде. Сернокислый кальций — мелкокристаллический порошок (либо строительный гипс или алебастр), в отличие от указанных двух солей, имеет значительно меньшую растворимость в воде, благодаря чему в заполнителе поддерживается постоянная концентрация сульфат-ионов.

2.1.2. Алюминиевые сплавы

Алюминий относится к третьей группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Известно, что его электрохимический потенциал в нейтральных и кислых электролитах небольшой, в щелочных же растворах, наоборот, значительный. На алюминиевом электроде не устанавливается потенциал, близкий к значению равновесного, определяемого из термодинамических данных. Объясняется это тем,  что  алюминий в водных  электролитах покрывается  окисной пленкой. В щелочных средах защитные окисные пленки на алюминиевом электроде не образуются вследствие их растворения, поэтому алюминий в этих условиях находится в активном состоянии.

Сравнительно небольшой молекулярный вес алюминия, а также его высокая валентность приводят к тому, что он оказывается способным отдать значительное количество электроэнергии на единицу его веса. Однако образование плотных окисных пленок па поверхности алюминиевого протектора с последующей поляризацией и смещением его потенциала примерно до потенциала незаполяризованной стальной конструкции пока не позволило применить протекторы из чистого алюминия. Поэтому были исследованы двойные сплавы на основе алюминия с добавкой цинка и тройные сплавы на основе алюминия с добавкой цинка и магния.

Алюминиевый сплав с добавками цинка даже в нейтральных электролитах имеет потенциал, смещенный в область более отрицательных значений. В щелочных средах потенциал такого сплава изменяется на небольшую величину.

Исследования показали, что такие сплавы имеют ряд преимуществ. Так, например, испытания сплавов алюминия с 1 и 6,5% цинка показали, что в глинистой почве сплав алюминия с 6,5% цинка дает лучшие результаты по сравнению с первым сплавом. На единицу количества электрической энергии этого сплава требуется меньше по сравнению с другими сплавами и металлами. Сплав алюминия с цинком в глинистой среде имеет достаточно высокий отрицательный потенциал. Алюминиевые протекторы в среде из смеси песка, хлористого натрия и извести в первое время работы показывают  высокую   эффективность.

Преимуществом протекторов на основе алюминия с добавкой магния по сравнению с протекторами из чистого алюминия является то, что на их поверхности образуются менее устойчивые продукты коррозии. Добавка магния в сплав алюминия с цинком повышает силу тока и увеличивает абсолютное значение отрицательного потенциала. Однако поляризация указанных сплавов также значительна.

Изучали возможность получения алюминиевых сплавов, обладающих эффектом депассивации и поэтому не требующих активаторов. В качестве депассиватора использовали кальций. В морской воде алюминиево-кальциевый сплав, содержащий до 4% кальция, быстро пассивируется. Лучшим по силе тока и стабильности потенциала является сплав, содержащий 7,4% кальция.

2.1.3. Цинковые сплавы

Цинк относится ко второй группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева, это металл, который характеризуется повышенной химической и электрохимической активностью. Его растворение в водных растворах зависит от их солевого состава, содержания в них кислорода и от температуры. В чистой воде скорость растворения изменяется в зависимости от температуры.

Растворенный кислород оказывает существенное влияние на растворение цинка в воде. Установлено, что при наличии в воде кислорода в количествах, недостаточных до полного насыщения, растворение цинка протекает неравномерно, с образованием язв. Углекислый газ действует как слабый реагент; аналогичное влияние оказывает сернистый ангидрид. Из этого следует, что состав воды оказывает значительное влияние на скорость  растворения цинка.

Прокатный цинк высокой чистоты растворяется в жесткой аэрируемой воде значительно сильнее, чем в аэрируемой дистиллированной воде. Продукты растворения цинка, образующиеся в электролите в присутствии углекислого газа, состоят из основного карбоната цинка, причем механизм образования основного карбоната включает две стадии. Первоначально получается окись или гидроокись цинка, которая затем взаимодействует с углекислым газом. Продукты коррозии цинковых протекторов, работающих в сульфатных растворах, состоят из основных сульфатов.

Применение гипса (сульфата кальция) в качестве активатора цинковых протекторов приводит к образованию растворимых продуктов, которые облегчают протекание тока. Без гипса образуются твердые пленки, обладающие высоким электрическим сопротивлением.

Кроме основных карбонатов, продукты растворения технического цинка содержат еще некоторые примеси таких металлов, как свинец и кадмий.

Местные гальванические элементы, возникающие в присутствии этих примесей, оказывают, очевидно, незначительное влияние на скорость растворения цинка в воде, так как в этой среде влияние состава металла невелико.

Протекторы из цинка различной чистоты ведут себя по-разному и имеют разные КПД.  Протекторы из чистого цинка имеют достаточно высокий КПД; они работают продолжительное время при силе тока, близкой к первоначальной. Очевидно, примеси в определенных условиях оказывают влияние на процесс растворения и на физические свойства продуктов растворения.

Растворение цинка находится в большой зависимости от изменения электрического   сопротивления   и   рН   почвы.

КПД цинковых протекторов около 90%. Многие примеси в цинке имеют более положительный потенциал, поэтому они являются катодами по отношению к нему. Накопление на поверхности цинкового протектора примесей приводит к смещению электродного потенциала в область более положительных значений. Кроме того, некоторые примеси, особенно железо, уменьшают силу тока. Находящиеся в электролите анионы, особенно фосфаты и карбонаты, вызывают поляризацию цинка.

Карбонаты, видимо, являются причиной уменьшения активности цинковых протекторов. Можно полагать, что наличие гипса препятствует   эффекту,   вызываемому   карбонатами.

Установлено, что продукты коррозии цинковых протекторов в большинстве случаев состоят из карбоната цинка. Это относится к протекторам, работающим в активаторе из глины и из смеси глины с гипсом.

В гипсовом активаторе продукты коррозии цинка имеют более пористую  структуру,  чем в  активаторе,  не содержащем гипс.

Добавки алюминия и марганца несколько улучшают свойства цинковых протекторов. Протекторы из сплава цинка и 5% алюминия имеют более отрицательный потенциал и больший выход по току, чем протекторы из  цинка.

На поверхности протекторов, изготовленных из этого сплава, образуются более рыхлые продукты коррозии, которые оказывают небольшое сопротивление стеканию тока с протекторов.

Однако некоторые исследователи полагают, что добавки алюминия уменьшают КПД  цинковых протекторов в результате увеличения  самокоррозии.

Из менее чистых сортов для протекторов может быть использован цинк  марки Ц-0.

 

 

2.2. Заполнители

Повышение эффективности действия протекторной установки достигается погружением его в специальную смесь солей, называемую активатором (он же – заполнитель). Непосредственная установка протектора в грунт менее эффективна, чем в активатор.

Назначение активатора следующее:

- снижение собственной коррозии;

- уменьшение анодной поляризуемости;

- снижение сопротивления растеканию тока с протектора;

- устранение причин, способствующих образованию плотных слоев продуктов коррозии на поверхности протектора.

При использовании активатора обеспечивается стабильный во времени ток в цепи «труба-протектор» и более высокое значение КПД (срока службы протектора).

Активатор готовится путем смешения сухих солей и глины с водой до вязкой консистенции по рецептам.

На один протектор необходимо готовить 65-70 кг активатора.

Таблица 2

Заполнители и электродные потенциалы протекторов

из различных материалов

Материал протектора	Состав заполнителя		Электродный потенциал,В
	Ингредиенты	%
Магний	MgSO4 CaSO4 Глина	25 25 50	-1,7
Алюминий	Ca(OH)2 NaCl Глина	25 25 50	-1,47
цинк	Na2SO4 CaSO4 Глина	25 25 50	-1,2

 

2.3. Конструкция протекторов

Магниевый протектор МГА (ВНИИСТа) представляет собой монолитный цилиндр, в центре которого по продольной оси заплавлен сталной сердечник в виде стержня. Через этот стержень осуществляется электрический контакт протектора с проводником, подключаемым к защищаемому трубопроводу.

Для лучшей изоляции внешней части вывода стального сердечника в протекторе имеется воронка. Изоляция вывода необходима для исключения возможности образования гальванопары сердечник – сплав протектора.

Протекторы могут быть с выводами сердечника в обоих торцах. Такая конструкция позволяет осуществлять их монтаж в случае применения нескольких протекторов в виде гирлянд с вертикальной или горизонтальной установкой.

В зависимости от размеров протекторы разделяют на несколько марок, приведенных в таблице 3.

Таблица 3

Магниевые протекторы МГА

				Стальной сердечник
Марка	Диаметр, мм	Высота, мм
протектора			Вес, кг	форма	диаметр	выводы с торца
МГА-1	110	600	10,36	Спиральная	3	одного
МГА-2	110	600	10,36	То же	3	Обоих
МГА-3	85	500	5,20	»	3-4	Одного
МГА-4	85	500	5,20	»	3-4	Обоих
МГА-5	110	600	10,36	Стержня	4—5	Одного
МГА-6	110	600	10,36	То же	4-5	Обоих
МГА-7	85	500	5,20	»	3-4	Одного
МГА-8	85	500	5,20	»	3-4	Обоих

 

 

Магниевые протекторы (электроды) типа ПМ (таблица 4) представляют собой удлиненный блок D-образного сечения. В верхнем торце протектора имеется воронка с выводом стального сердечника, служащего для подключения соединительного проводника к протектору. Место соединения проводника с протектором изолируется битумной мастикой путем заливки ее в воронку протектора. Потенциал «протектор-грунт» для этих сплавов (при разомкнутой цепи «протектор – труба») практически равен -1,6 В по медно-сульфатному электроду сравнения.

 

 

 

 

Таблица 4

Техническая характеристика электродов ПМ

и комплектных протекторов ПМ-У

Показатели	Тип электрода			Тип комплектных протекторов
	ПМ-5	МП-10	ПМ-20	ПМ5У	ПМ10У	ПМ20У
Размеры, мм высота в плане диаметр	500 75х100 -	600 100х130 -	610 155х175 -	580 - 165	700 - 200	710 - 270
Масса,кг	5	20	20	16	30	60

 

Прутковые (ленточные) магниевые протекторы применяют при защите магистральных трубопроводов от коррозии в грунтах с удельным электрическим сопротивлением грунта (ρгр) до 300 Ом∙м. Их изготавливают из Mg-95, содержащего 99,95% этого металла.

При изготовлении магниевые прутки наматывают на кабельные барабаны. Строительная длина прутка – 1км.

В середине прутка запрессован стержень из стальной оцинкованной проволоки, используемой для армирования и обеспечения контакта (таблица 5).

Рис. 2.  Конструкция  пруткового магниевого протектора

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

Типы и размеры магниевых прутковых протекторов

Тип протектора	Вид сечения	Площадь,  м2	Размеры, мм			Масса 1м протектора, кг
			а	б	в
ПМП 20х10		200	20	10	-	0.35
ПМП 30х15		450	30	15	-	0.78
ПМП 20		310	-	-	20	0.70
ПМП 30		700	-	-	30	1.30
ПМП 40		1250	-	-	40	2.70