The analysis of the magnesium protector alloys destruction

Full Text

Метод электрохимической защиты изобретен и впервые применен в 1824 г. в Англии для защиты обшивки судов от коррозионного разрушения [1]. Принцип метода основан на том, что коррозионное разрушение прекращается, если к защищаемому металлу приложить постоянный электрический ток от внешнего источника постоянного тока. Такой способ дорогостоящий и трудно применим в пожаро- и газоопасных средах. Гораздо проще в качестве защиты использовать способ контактной коррозии, при котором к защищаемому металлу подсоединяется более электроотрицательный металл (например, магний, цинк, алюминий и т. д.). Любой металл структурно неоднороден, в результате чего образуются гальванические пары. При взаимодействии металла с раствором электролита гальванические пары замыкаются и происходит коррозионное разрушение, в результате которого более электроотрицательные участки (аноды) растворяются, так как с них стекает ток во внешнюю среду, а более электроположительные участки (катоды) поддерживают протекание этого процесса, так как ток втекает в них из внешней среды. Механизм действия протекторной защиты [1, 2] заключается в превращении всей поверхности металла в общий неразрушающий катод, а анодом будет являться более электроотрицательный металл, подсоединенный к защищаемой конструкции, который часто называют «жертвенным анодом» или чаще протектором. Электрический ток в этом случае получается вследствие работы гальванической пары протектор - металл. Протекторная защита реализуется совместно с применением различных стойких лакокрасочных покрытий, которые называют пассиваторами [3]. Лакокрасочное покрытие наносится в несколько слоев (обычно от трех до пяти), что обеспечивает снижение расхода протекторов и увеличивает срок их службы, равномерно распределяя защитный ток по поверхности конструкции с учетом неравномерности дефектов покрытия как при монтаже протекторов, так и при эксплуатации покрытия. Покрытие со временем может набухать, отслаиваться и становиться проницаемым. Вот почему для более эффективного применения протекторной защиты лучше всего между поверхностью протекторов и защищаемым металлом устанавливать прокладку, хотя протекторы могут обеспечить защиту металла и без лакокрасочного покрытия. В этом случае необходимо накладывать высокую плотность тока, т. е. увеличивать количество протекторов, что не всегда экономически эффективно. Кроме того, чрезмерное количество протекторов может привести к «перезащите», что связано с выделением водорода и, как следствие этого, изменением состава приэлектродного слоя, и ускорению коррозии защищаемого металла вследствие водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания. Наиболее эффективным зарекомендовало себя покрытие Tematar TFA фирмы «Тиккурила», Финляндия [4]. Были проведены испытания на стальных пластинах размером 150×70×3 мм с покрытием толщиной от 275 до 370 мкм. Определялись защитные и физико-механические характеристики свойств покрытия. Образцы выдерживались в 3%-м растворе NaCl при температуре 20, 40 и 60 ºС и в нефти при температуре 60 ºС в течение 1000 часов. После испытания методом Х-образцового надреза адгезионная прочность оценивается не ниже 3-го балла, а методом отрыва - не ниже 4-го балла, причем адгезионный отрыв - 5-10 %, межслоевой - 30-50 % и когезионный - 50-90 %. Для образцов наблюдалось снижение относительного удлинения при разрыве не более чем на 30 %. Состояние металла под покрытием после выдержки в указанных средах остается без изменения, коррозия отсутствует. Рис. 1. Общий вид протектора ПРМ-20 до эксплуатации В качестве протекторов можно использовать чистый цинк, который растворяется неравномерно из-за крупнозернистой дендритной структуры, чистый алюминий, который покрывается плотной оксидной пленкой, чистый магний, который имеет высокую скорость собственной коррозии. Вот почему для придания протекторам необходимых эксплуатационных свойств в их состав вводят легирующие элементы в различных процентных соотношениях (см. таблицу). Внешний вид протектора магниевого резервуарного массой 20 кг (ПМР-20) представлен на рис. 1. Такие протекторы используются для защиты днища и первого пояса резервуара для хранения нефти, когда подтоварная вода скапливается внизу на высоте 1-2 м. Однако использование протектора ПРМ-20 целесообразно только при содержании солей в дренажной воде более 0,3 %, в противном случае коррозия настолько низкая, что не вызывает серьезных разрушений поверхности металла, и тогда применение протекторов нецелесообразно [5, 6]. Область эксплуатации таких протекторов определяется pH среды, равной 9,5-10,5. Химический состав магниевого протектора ПМР-20 Mg Fe Ni Si Al Ti Mn Zn Cu Основа 0,006 0,0024 0,017 5,7 0,001 0,23 2,7 0,0013 Основа 0,008 0,0008 0,008 5,8 0,001 0,17 2,5 0,0017 На рис. 2 представлен общий вид протектора ПРМ-20 после пяти лет эксплуатации в среде с содержанием солей более 0,3 %. Рис. 2. Общий вид протектора после пяти лет эксплуатации Как видно, после указанного срока службы внешний вид протектора резко изменился (см. рис. 1, рис. 2). На его поверхности образовались элементы оксидных отложений - по-видимому, это оксиды магния. Хотя поверхность (см. рис. 2) покрыта не только отложениями белого цвета, похожими на оксиды магния, но и более темными элементами - возможно, это остатки нефтяных продуктов. Характер разрушения не такой, как это описано в научно-технической литературе. Видно, что протектор растворяется не в верхней части в месте его утоньшения, а в нижней части (рис. 3), там, где было нанесено три слоя покрытия. По-видимому, необходимо либо увеличить количество слоев покрытия, либо дополнительно изолировать протектор от металла при помощи, например, паронитовой прокладки толщиной 3-4 мм. Рис. 3. Принцип растворения протектора ПРМ-20 Выводы 1. Покрытие Tematar TFA может успешно использоваться как пассиватор при установке протекторов в резервуарах. 2. Для повышения эффективности протекторной защиты необходимо использовать большое количество слоев лакокрасочного покрытия, хотя бы в месте установки протекторов, или дополнительно изолировать протектор от защищаемой конструкции. 3. Необходимо более подробно оценивать образования отложений после эксплуатации протекторов, что поможет повысить срок их эксплуатации.

About the authors

Nikolay G Kats

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Denis V Konovalenko

Samara State Technical University

Senior Lecture 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Sergey V Vasilyev

Samara State Technical University

Leading Engineer 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files