Анализ разрушений магниевых протекторных сплавов

Полный текст

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.

Об авторах

Николай Григорьевич Кац

Самарский государственный технический университет

(к.т.н., доц.), доцент кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Денис Владимирович Коноваленко

Самарский государственный технический университет

старший преподаватель кафедры «Машины и оборудование нефтегазовых и химических производств» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Сергей Владимирович Васильев

Самарский государственный технический университет

ведущий инженер Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы