Спосіб протикорозійного захисту маловуглецевої сталі у водних техногенних середовищах

Реферат: Спосіб протикорозійного захисту маловуглецевої сталі у водному техногенному середовищі включає встановлення анодів з електронегативних металів у проточному металевому резервуарі, регулювання режиму розчинення анодів пропорційно змінам витрат води з використанням датчиків швидкості потоку та швидкості корозії, причому одночасно з анодним розчиненням електронегативного металу застосовують катодну поляризацію кородуючої сталі на величину не менше 0,1 В. UA 68395 U (12) UA 68395 U UA 68395 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів захисту від внутрішньої корозії металевого обладнання та трубопроводів за допомогою електрохімічних методів шляхом утворення захисних шарів з компонентів корозійного середовища та малорозчинних сполук електронегативних металів при регульованому анодному розчиненні останніх. Галузь застосування - системи централізованого холодного та гарячого водопостачання, закриті і відкриті системи комунального теплопостачання, оборотні нагрівально-охолоджувані водні системи промислових підприємств. Відомі способи та пристрої з використанням анодного розчинення електронегативних металів для одержання захисних фазових шарів на металевій поверхні [патент UA 28056, MПК: C23F13/00, Установка для захисту від внутрішньої корозії / Герасименко Ю.С., Васильєв Г.С. № UA 20070007572U. Заявл. 2007-07-05, Опубл. 2007-11-26; патент RU 2339868, MПК: C23F13/00. Устройство защиты промысловых нефтепроводов от внутренней коррозии. Подъпольский А.И., Эпштейн А.Р., Худков Д.С., Самородов А.А., Болотов В.В., Паламарчук Ю.Г. 2008-11-27, № RU20060125901 20060717, Заявитель: GUP INST TRANSPORTA EHNERGORES (RU); esp@cenet-Worldwide]. Пристрої мають нерегульовані або регульовані джерела постійного струму з блоками розчинення анодів з електронегативного металу і забезпечують певний ступінь захисту металевої поверхні, який є технічним результатом. Відомі також способи катодного захисту стальних конструкцій з використанням жертовних анодів зі сплавів алюмінію, цинку, магнію [патент МХРА06011854, МПК: C23F13/16, Stabilizer with cathodic protection / BRITTON JIM (US), № MX2006PA11854 20061013, опубл. 19.10.2007] або використання сполук кальцію та магнію в поєднанні з катодним захистом [патент JP2007077474, MПК: C23F13/00. Electric corrosion protection coating structure / UTSUNO SHINJI, NAKABOHTEC CORROSION PROTECT (Японія) - № JP20050268803, 2005-09-15]. В аналогах технічний результат визначається використанням одного або декількох анодів з електронегативного металу та регулюванням величини анодного струму розчинення. Втім не враховується, що ступінь захисту металу від корозії значною мірою залежить від хімічного складу водного середовища, а саме рівня мінералізації води та її жорсткості, оскільки електрохімічні характеристики різних електронегативних металів (потенціал, густина струму розчинення) значно відрізняються при різній мінералізації води. Найбільш близьким аналогом є патент [Пат. UA51450. Установка для захисту від внутрішньої корозії сталевих трубопроводів / Герасименко Ю.С., Васильєв Г.С., заявка № U201003236; Заявл. 2010-03-22, Опубл. 2010-07-12, Бюл. № 13], який включає розчинення декількох анодів з електронегативних металів, підключених до блока живлення в проточному металевому резервуарі з водою, регульоване джерело постійного струму, позитивний полюс якого з'єднаний з анодами, а негативний - з корпусом резервуара, а як регулятори використовують датчики швидкості потоку та швидкості корозії. Недоліком найближчого аналога є те, що він не усуває локальної корозії сталі та не забезпечує високого ступеня захисту металевої поверхні від корозії (коефіцієнт гальмування  не перевищує 2,5-3,5), причому у м'якій воді величина  є найменшою. Не враховується що контакт різних металів-анодів між собою може мати негативні наслідки. Так, використання алюмінієвого анода в парі з більш активним металом (цинком, магнієм) не дасть позитивного результату через його пасивацію, особливо у високомінералізованій воді. Крім того, накопичення у воді іонів різних електронегативних металів може, за певних умов, негативно вплинути на технічний результат внаслідок ускладнень при формуванні захисних шарів. Одночасна поява у воді гідратованих іонів різних металів заважає утворенню щільної захисної плівки на кородуючій поверхні і, тим самим, може прискорювати корозію сталі. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення ступеня протикорозійного захисту у водах з різною жорсткістю та мінералізацією шляхом утворення захисних шарів з компонентів корозійного середовища та малорозчинних сполук електронегативних металів при анодному розчиненні останніх та зміщенні потенціалу кородуючої поверхні у негативний бік. Поставлена задача вирішується тим, що в способі протикорозійного захисту металу від внутрішньої корозії у водному техногенному середовищі, який, відповідно до найближчого аналога, включає встановлення анодів з електронегативних металів у проточному металевому резервуарі, регулювання режиму розчинення анода пропорційно змінам витрат води з використанням датчиків швидкості потоку та швидкості корозії, у корисній моделі одночасно з анодним розчиненням електронегативного металу здійснюють катодну поляризацію внутрішньої поверхні кородуючої сталі на величину не менше 0,1 В шляхом з'єднання: - або з негативним полюсом джерела постійного струму, - або безпосередньо з електронегативним металом без зовнішнього джерела струму, причому схему з'єднання вибирають в залежності від природи електронегативного металу. 1 UA 68395 U 5 10 15 Очікуваний технічний результат підвищення ступеня захисту металу досягається завдяки регульованому утворенню на поверхні металу щільних плівок малорозчинних сполук з продуктів анодного розчинення електронегативних металів, компонентів корозійного середовища та продуктів корозії сталі, причому покращення протикорозійних властивостей плівок обумовлюється катодною поляризацією кородуючої поверхні та вибором певного матеріалу анода відповідно до ступеня мінералізації води. Катодна поляризація сталі, тобто зміщення потенціалу в негативний бік, забезпечує підвищення рН приелектродного шару внаслідок відновлення кисню за реакцією О2+2Н2О+4е→4ОН , або молекул води за реакцією 2Н2О+2е→Н2+2ОН і модифікацію складу та структури поверхневих плівок малорозчинними сполуками основного характеру - гідроксидами, оксидами, основними солями, а також зумовлює суттєве зменшення локальної виразкової та пітингової корозії. Спосіб реалізується наступним чином. Матеріал анода, який впливає на характеристики плівок, обирають залежно від жорсткості та ступеню мінералізації води з урахуванням електрохімічних параметрів його анодного розчинення у воді з заданими показниками солевмісту та жорсткості (таблиця 1). Таблиця 1 Класифікація води за жорсткістю Група води Дуже м'яка М'яка Середньої жорсткості Жорстка Дуже жорстка Жорсткість, ммоль/л (мг-екв/л) До 1,5 Більше 1,5 до 4,0 Більше 4 до 8 Більше 8 до 12 Більше 12 20 25 30 35 40 45 50 Алюмінієвий анод застосовують у воді будь-якої жорсткості, з'єднуючи його з позитивним полюсом джерела постійного струму, при цьому негативний полюс обов'язково з'єднують з кородуючою сталлю. Щоб уникнути пасивації алюмінію при його анодному розчиненні анодна 2 густина струму має бути не менше 1 А/м . Безпосереднє з'єднання з сталі з алюмінієм без зовнішнього джерела струму не є ефективним, оскільки при гальванічному контакті сталі та алюмінію не відбувається зміщення потенціалу сталі у від'ємну сторону через пасивацію алюмінію. Цинковий анод застосовують у м'якій воді та воді середньої жорсткості, з'єднуючи його або безпосередньо з кородуючою сталлю, або з позитивним полюсом джерела постійного струму при катодній поляризації кородуючої сталі від того ж джерела струму. При гальванічному контакті цинк нав'язує парі цинк-сталь свій потенціал, тобто зміщує потенціал кородуючої сталі в негативний бік. При використанні цинкових анодів з одночасною катодною поляризацією кородуючої сталі можна використовувати режим з низькою густиною анодного струму 1,82 2,0 А/м , оскільки подальше збільшення густини струму не підвищує коефіцієнт гальмування корозії. Цинк виявляється дещо більш ефективним анодом у порівнянні з алюмінієм у м'якій воді та воді середньої жорсткості, тоді як у жорсткій воді він є мало ефективним. Магнієвий анод застосовують у воді будь-якої жорсткості, з'єднуючи його або безпосередньо з кородуючою сталлю, або з позитивним полюсом джерела постійного струму при катодній поляризації кородуючої сталі від того ж джерела струму. Використання магнієвого анода викликає значне збільшення рН води у замкнутій системі, що також сприяє гальмуванню корозії сталі. Анод з електронегативного металу встановлюють у резервуар, зв'язаний з системою трубопроводів, або у ємність, внутрішня поверхня якої підлягає захисту. Після заповнення резервуара або ємності водою при замиканні електричного ланцюга починається анодне розчинення певного електронегативного металу з переходом продуктів розчинення у воду. Одночасно кородуюча сталь поляризується катодно внаслідок з'єднання з негативним полюсом джерела постійного струму електричними кабелями або гальванічного контакту з електронегативним металом. На кородуючій поверхні формуються захисні шари з компонентів корозійного середовища та малорозчинних сполук електронегативних металів. Такі ж захисні шари формуються на електродах датчиків корозії, які встановлюють у контрольних точках по 2 UA 68395 U 5 10 15 довжині трубопроводу. Контролювання швидкості корозії здійснюють датчиками типу ДК-1 або індикаторами корозії. Контролювання швидкості потоку здійснюють стандартизованим датчиком швидкості потоку. Напругу і струм поляризації задають за допомогою стандартних джерел постійного струму (ДПС). Для режиму анодного розчинення електронегативного металу густину струму вибирають 2 2 в межах від 0,1 до 1,0 мА/см (1-10 А/м ); підвищення густини струму анодного розчинення в певних випадках сприяє збільшенню коефіцієнта гальмування корозії . Величина струму розчинення регулюється в залежності від витрат води та показників датчика швидкості корозії. На початку захисту, коли величина швидкості корозії максимальна, струм розчинення анода є найбільшим. З часом, після утворення захисної плівки, струм можна зменшити й підтримувати на рівні, необхіднім для забезпечення високого ступеня захисту від корозії. Такий режим приведе до заощадливого використання матеріалу розчинних анодів та електроенергії на їх розчинення. Експериментальна перевірка запропонованого способу захисту проведена на маловуглецевій сталі 20 у воді низької, середньої та високої жорсткості в лабораторних умовах. Порівняння ефективності протикорозійного захисту з катодною поляризацією поверхні (пропонована корисна модель) та без неї (відповідно до найближчого аналогу) в умовах розчинення анодів з однаковим струмом, який забезпечує однакову кількість іонів електронегативного металу у воді за однаковий час, показано в таблиці 2. 20 Таблиця 2 Ефективність гальмування корозії маловуглецевої сталі за результатами лабораторних випробувань (30 годин) у воді різної жорсткості при розчиненні анодів з електронегативних металів Корозійне середовище Матеріал анода Алюміній М'яка вода Цинк Магній Алюміній Жорстка вода Цинк Магній Вода середньої Алюміній жорсткості Цинк (водопровідна) Магній Анодний струм розчинення, мА 10 20 10 20 20 10 20 10 20 20 20 20 Коефіцієнт гальмування корозії сталі,  Без катодної З катодною поляризації З катодною поляризацією від поверхні поляризацією контакту з (відповідно поверхні від ДПС електронегааналога) тивним металом 1,7 2,2 1,4 1,5 3,9 1,2 6,9 5,6 1,8 7,5 2,6 7,6 4,5