Elektrochemická ochrana potrubí před korozí – elektronický katalog produktů, vývoj mobilních aplikací, AOS, automatizované školicí systémy, semináře na ropnou a plynárenskou tématiku, vývoj STU, STU

ELEKTROCHEMICKÁ OCHRANA kovů před korozí, je založena na závislosti rychlosti koroze na elektrodovém potenciálu kovu. Obecně je tato závislost složitá a je podrobně popsána v článku. Koroze kovů. V zásadě by se kov nebo slitina měly používat v rozsahu potenciálů, kde je rychlost jejich anodického rozpouštění menší než určitá konstrukční přípustná mez, která je stanovena na základě životnosti zařízení nebo přípustné úrovně kontaminace procesního prostředí korozními produkty. Kromě toho by měla být pravděpodobnost lokálního poškození korozí nízká. Jedná se o tzv. potenciostatickou ochranu.
Vlastní elektrochemická ochrana zahrnuje katodickou ochranu, při které je potenciál kovu cíleně posunut z oblasti aktivního rozpouštění do negativnější oblasti vzhledem k koroznímu potenciálu, a anodickou ochranu, při které je potenciál elektrody posunut do kladné oblasti na takové hodnoty, že se na povrchu kovu vytvoří pasivační vrstvy (viz Pasivita kovů).

Katodická ochrana. Posun potenciálu kovu lze dosáhnout pomocí externího zdroje stejnosměrného proudu (stanice katodické ochrany) nebo spojením s jiným kovem, který má elektronegativnější potenciál (tzv. obětní anoda). V tomto případě se povrch chráněného vzorku (konstrukční součásti) stává ekvipotenciálním a ve všech jeho úsecích probíhají pouze katodické procesy, zatímco anodické procesy způsobující korozi se přenášejí na pomocné elektrody. Pokud však posun potenciálu v záporném směru překročí určitou hodnotu, je možná tzv. přeochrana, spojená s uvolňováním vodíku, změnou složení vrstvy v blízkosti elektrody a dalšími jevy, které mohou vést k urychlené korozi. Katodická ochrana se obvykle kombinuje s aplikací ochranných povlaků; je třeba vzít v úvahu možnost odlupování povlaků.
Katodická ochrana se široce používá k ochraně před mořskou korozí. Civilní plavidla se chrání pomocí Al, Mg nebo Zn obětních anod, které se umisťují podél trupu a v blízkosti vrtulí a kormidel. Stanice katodické ochrany se používají v případech, kdy je nutné ochranu vypnout, aby se eliminovalo elektrické pole lodi, přičemž potenciál se obvykle řídí referenčními elektrodami z chloridu stříbrného (k.s.e.). Kritériem pro dostatečnost ochrany je hodnota potenciálu -1 V dle k.s.e. nebo posun od korozního potenciálu o 0,75 V (v praxi obvykle 0,3-0,05 V). Na plavidle nebo na břehu (během kotvení nebo opravy) jsou umístěny automatické stanice katodické ochrany. Anody jsou obvykle vyrobeny z platinovaného titanu, lineární nebo kruhové, s nevodivými clonami v blízkosti anody pro zlepšení rozložení potenciálu a hustoty proudu podél trupu plavidla. Konstrukce anod zajišťuje jejich ochranu před mechanickým poškozením (např. v ledových podmínkách).
Použití katodické ochrany je obzvláště důležité pro stacionární konstrukce pro těžbu ropy a plynu, potrubí a skladovací zařízení na kontinentálním šelfu. Takové konstrukce nelze umístit do suchého doku za účelem obnovení ochranného povlaku, proto je elektrochemická ochrana hlavní metodou prevence koroze. Ropná plošina na moři je obvykle ve své podvodní části vybavena obětními anodami (jedna plošina obsahuje až 10 tun a více obětních slitin).

Katodická ochrana podzemních staveb je široce používána. Téměř všechna hlavní a městská potrubí, kabely, podzemní zásobníky a studny, zejména v zasolených půdách, jsou vybaveny zařízeními pro katodickou ochranu v kombinaci s ochrannými povlaky. Elektrochemická ochrana se zpravidla provádí ze stanic katodické ochrany; obětní anody se používají pouze v nepřítomnosti zdrojů proudu. Potenciál konstrukce je řízen sulfátově-měděnými referenčními elektrodami; proud katodické ochrany se periodicky upravuje na základě ochranného potenciálu v různých bodech konstrukce. S ničením ochranného povlaku se ochranný proud zvyšuje. Obětní anody mohou být vyrobeny ze slitin železa a křemíku nebo grafitových plastů, dodávány s blízkoanodovou zásypom (koks, uhlí) pro snížení celkového odporu šíření proudu z anody do země. Jak se anoda vzdaluje od chráněné konstrukce, požadované ochranné napětí se zvyšuje (obvykle až na 48 V, u velmi vzdálených anod až na 200 V), přičemž se zlepšuje rozložení ochranného proudu. Pro ochranu rozvětvených městských sítí nebo pro společnou ochranu několika staveb se používají hlubinné anody, umístěné v podzemí v hloubce 50-150 m.
Velký význam má elektrochemická ochrana podzemních staveb v oblasti bludných proudů, hlavním důvodem vzniku těchto proudů je provoz elektrické dopravy, méně často – uzemnění elektrických zařízení. Boj proti korozi se v těchto podmínkách omezuje na sledování potenciálu a instalaci odvodňovacích zařízení, která zajišťují elektrické spojení zdrojů svodového proudu s chráněnou konstrukcí. Používají se automatická odvodňovací zařízení se zapínáním a vypínáním v souladu s hodnotou ochranného potenciálu. Taková odvodňovací zařízení poskytují spolehlivou ochranu bez ohledu na změnu znaménka potenciálu na chráněné konstrukci.
Katodická ochrana ocelové výztuže v železobetonu se používá pro piloty, základy, silniční konstrukce (včetně vodorovných vozovek) a budovy. Výztuž, obvykle svařená do jediného elektrického systému, koroduje, když do betonu proniká vlhkost a chloridy. Ty se mohou dostat dovnitř v důsledku vystavení mořské vodě nebo použití rozmrazovacích solí pro silniční konstrukce, použití chloridů k urychlení tvrdnutí betonu. Velmi účinná je sanace betonu starých budov s instalací katodické ochrany. V tomto případě se instalují primární anody z křemíkové litiny, platinovaného titanu nebo niobu, grafitu, titanu s povlakem z oxidu kovu, které zajišťují přívod proudu k sekundárním (rozvodným) anodám (titanová síťovina s povlakem z oxidu kovu nebo elektricky vodivým nekovovým povlakem, titanová tyč s povlakem) umístěným po celém povrchu konstrukce a shora pokrytým relativně tenkou vrstvou betonu. Potenciál kotvy se reguluje změnou vnějšího proudu.
Vyvíjejí se metody katodické ochrany karoserií dopravních prostředků (automobilů). Ochranné anody se používají k ochraně jednotlivých dekorativních prvků karoserie, u elektronických zařízení poskytujících stejnosměrný nebo pulzní proud; anody lepené na karoserii jsou vyrobeny z vodivého polymeru (např. grafitový plast, uhlíková vlákna) nebo nerezové oceli. Pro zvětšení ochranné zóny je nutné umístit anody do míst s nejvyšším rizikem koroze nebo použít vodivou barvu.

Anodová ochrana Používá se v chemickém a souvisejícím průmyslu za zásadně odlišných podmínek než katodická ochrana; oba typy elektrochemické ochrany se v agresivním prostředí vzájemně doplňují. Kov konstrukce nebo budovy musí mít oblast pasivity s dostatečně nízkou rychlostí rozpouštění, která je omezena nejen destrukcí kovu, ale také možným znečištěním životního prostředí. Anodická ochrana se široce používá pro zařízení pracující v kyselině sírové, prostředích na její bázi, vodných roztocích amoniaku a minerálů, hnojivech, kyselině fosforečné, v papírenském průmyslu a řadě samostatných průmyslových odvětví (např. thiokyanát sodný). Anodická ochrana zařízení pro výměnu tepla vyrobených z legovaných ocelí je zvláště důležitá při výrobě kyseliny sírové; ochrana chladniček z kyselé strany umožňuje zvýšit pracovní teplotu, zintenzivnit výměnu tepla a zlepšit provozní spolehlivost. Potenciál kovu je regulován automaticky. Anodové ochranné stanice (regulátory potenciálu) pracující s řízením potenciálu a řídicím signálem z referenční elektrody. Pomocné elektrody jsou vyrobeny z vysoce legovaných ocelí, křemíkové litiny, platinované mosazi (bronzu) nebo mědi. Referenční elektrody jsou vzdálené a ponořitelné, složením blízké aniontovému složení agresivního prostředí (síran rtuťnatý, síran měďnatý atd.). Lze použít jakékoli elektrody, které mají v daném prostředí určitý stabilní potenciál, např. korozní potenciál (elektrody vyrobené z čistého zinku) nebo elektrochemický reakční potenciál (nanášení povlaku, vývoj chloru nebo kyslíku). Zóna působení ochranných potenciálů závisí na oblasti optimální pasivace kovu a pohybuje se od několika V (slitiny titanu) do několika desítek mV (nerezové oceli za zvýšených teplot).
Anodická ochrana lázní pro chemické nanášení povlaků zajišťuje ochranu lázně před korozí a náhodným nanášením povlaku na stěny lázně. Je možné vytvořit sekundární pasivní oblast potenciálů umístěných pozitivněji než oblast bodové koroze, což zajišťuje anodickou ochranu před bodovou korozí. Pro stabilizaci ochranných systémů se používají obětní katody s vysokým kladným potenciálem (grafitovo-plastové elektrody), polarizace se vytváří pomocí oxidových elektrod nebo kyslíkových elektrod používaných v palivových článcích.
V elektrochemické výrobě se pro ochranu zařízení před svodovými proudy v elektrolytu instalují další elektrody, které eliminují tok proudu přes chráněný povrch.

Lit.: Krasnojarsky V. V., Elektrochemická metoda ochrany kovů před korozí, M., 1961; Freiman L. I., Makarov V. A., Bryksin E. I., Potenciostatické metody v korozních studiích a elektrochemické ochraně, L., 1972; Lyublinsky E. Ya., Ochranná ochrana námořních plavidel a konstrukcí před korozí, L., 1979; Kuzub V. S., Anodická ochrana procesních zařízení, M., 1989.

Elektrochemická ochrana proti korozi se skládá z katodické a drenážní ochrany. Katodická ochrana potrubí se provádí dvěma hlavními metodami: použitím anod kovového chrániče (metoda galvanického chrániče) a použitím externích zdrojů stejnosměrného proudu, jejichž mínus je připojen k potrubí a plus je připojen k uzemnění anody (elektrická metoda).

Rýže. 1. Princip činnosti katodové ochrany

Galvanická ochrana běhounu proti korozi

Nejviditelnějším způsobem provádění elektrochemické ochrany kovové konstrukce, která má přímý kontakt s elektrolytickým médiem, je metoda galvanické ochrany, která je založena na skutečnosti, že různé kovy v elektrolytu mají různé elektrodové potenciály. Pokud tedy vytvoříte galvanický pár ze dvou kovů a umístíte je do elektrolytu, pak se kov s více negativním potenciálem stane anodovým chráničem a bude zničen, čímž bude chráněn kov s méně negativním potenciálem. Chrániče slouží v podstatě jako přenosné zdroje elektřiny.

Jako hlavní materiály pro výrobu chráničů se používají hořčík, hliník a zinek. Z porovnání vlastností hořčíku, hliníku a zinku je zřejmé, že z uvažovaných prvků má největší elektromotorickou sílu hořčík. Přitom jednou z nejdůležitějších praktických vlastností chráničů je faktor účinnosti, který ukazuje podíl hmoty chrániče použité k získání užitečné elektrické energie v obvodu. Účinnost protektory vyrobené z hořčíku a slitin hořčíku zřídka překračují 50% in, na rozdíl od chráničů na bázi Zn a Al s účinností. 90 % nebo více.

Rýže. 2. Příklady hořčíkových chráničů

Obvykle se instalace chráničů používají pro katodickou ochranu potrubí, která nemají elektrické kontakty s přilehlými rozšířenými komunikacemi, jednotlivými úseky potrubí, jakož i nádrží, ocelových ochranných plášťů (kartridží), podzemních nádrží a kontejnerů, ocelových podpěr a pilot a další koncentrované předměty.

Zároveň jsou běhounové instalace velmi citlivé na chyby v jejich umístění a konfiguraci. Nesprávný výběr nebo umístění běhounových jednotek vede k prudkému poklesu jejich účinnosti.

Katodická ochrana proti korozi

Nejběžnějším způsobem elektrochemické ochrany proti korozi podzemních kovových konstrukcí je katodická ochrana, prováděná katodickou polarizací chráněného kovového povrchu. V praxi se to realizuje připojením chráněného potrubí k zápornému pólu externího zdroje stejnosměrného proudu, nazývaného stanice katodické ochrany. Kladný pól zdroje je připojen kabelem k vnější přídavné elektrodě z kovu, grafitu nebo vodivého kaučuku. Tato externí elektroda je umístěna ve stejném korozním prostředí jako chráněný objekt, v případě podzemních polních potrubí v půdě. Vzniká tak uzavřený elektrický obvod: přídavná vnější elektroda – půdní elektrolyt – potrubí – katodový kabel – stejnosměrný zdroj – anodový kabel. Jako součást tohoto elektrického obvodu je potrubí katodou a anodou se stává další externí elektroda připojená ke kladnému pólu zdroje stejnosměrného proudu. Tato elektroda se nazývá uzemnění anody. Záporně nabitý pól zdroje proudu připojeného k potrubí za přítomnosti vnějšího anodického uzemnění potrubí katodicky polarizuje, přičemž potenciál anodové a katodové části je prakticky vyrovnán.

Systém katodové ochrany se tedy skládá z chráněné konstrukce, zdroje stejnosměrného proudu (stanice katodové ochrany), anodového uzemnění, spojovacích anodových a katodových vedení, okolního elektricky vodivého prostředí (půdy), jakož i prvků monitorovacího systému – řízení a měřicích bodů.

Ochrana proti korozi drenáže

Drenážní ochrana potrubí před korozí bludnými proudy se provádí usměrněným odvodem těchto proudů ke zdroji nebo do země. Instalace odvodňovací ochrany může být několika typů: zemní, přímá, polarizovaná a zesílená drenáž.

Rýže. 3. Ochranná stanice odvodnění

Zemní odvodnění se provádí zemnicím potrubím s přídavnými elektrodami v místech jejich anodových zón, přímé odvodnění se provádí vytvořením elektrické propojky mezi potrubím a záporným pólem zdroje bludných proudů, např. elektrifikovaná železnice. Polarizovaná drenáž má na rozdíl od přímé drenáže pouze jednosměrnou vodivost, takže když se na kolejích objeví kladný potenciál, drenáž se automaticky vypne. Při zvýšeném odvodnění je v obvodu navíc zahrnut proudový měnič, který umožňuje zvýšení odvodňovacího proudu.

PS Můžete si přečíst přehled technických řešení ECP jiných kovových konstrukcí a konstrukcí zde .