Анодные заземлители: материалы, свойства и использование при электрохимической защите

Катодная электрохимическая защита — эффективный способ антикоррозионной борьбы на нефтегазопромысловых объектах. Надежность таких установок обеспечивается особенностями конструкции и материалом изготовления анодов. Так как анодные заземлители (АЗ) невозможно осмотреть и отремонтировать, они должны отличаться высокой прочностью. Организовать беспрерывное функционирование систем катодной защиты способны только АЗ, имеющие особые характеристики, основные из которых:

• высокая электрохимическая устойчивость при анодной поляризации;
• высокая электропроводность;
• химическая стойкость к воздействию продуктов электролиза среды;
• сочетание достаточной прочности и пластичности;
• качество продукции;
• технологичность производства.

Анодное заземление используется для введения тока в грунт при обеспечении защиты от коррозии трубопровода, проложенного под землей. На анодном заземлении протекают 2 вида реакций: образование кислорода из воды грунтового электролита — 2Н2О → О2 + 4е- + 4Н+, а также растворение анодного материала — Me → Меn+ + nе-. В зависимости от вклада второй реакции в процесс преобразования тока из электронного в ионный материалы АЗ делятся на несколько типов:

• растворимые;
• нерастворимые;
• малорастворимые.

Эксплуатационные характеристики материалов анодных заземлителей влияют на сферу использования. АЗ могут быть выполнены из металла, графита или другого материала, проводящего ток. Нередко для удешевления конечных изделий в качестве материалов для анодов, предназначенных для установок катодной защиты, выбирают стальной лом. Рассмотрим, в чем отличия средств противокоррозионной защиты из различных материалов и какому варианту отдать предпочтение при выборе.

Виды материалов для анодных заземлителей

Железо

Сплавы на основе железа относятся к растворимым материалам для АЗ. Анодное растворение железа проходит на скорости около 10 кг/(А • год). Такая высокая скорость растворения анодов — существенный минус, который не позволяет широко использовать сплавы на основе железа для системы катодной защиты. Кроме того, растворимые материалы имеют немало других отрицательных факторов. Например, при применении подобных АЗ грунтовые воды сильно загрязняются ионами железа. А из-за неэлектропроводности продуктов растворения такие аноды быстро выходят из строя.

Графит

Графит относится к малорастворимым материалам. Анодные заземлители из графита имеют более продолжительный срок службы. Однако среди других малорастворимых материалов (графитсодержащих, ферросилида и магнетита) графит имеет наибольшую скорость анодного растворения — до 1 кг/(А • год). Графитовые аноды используются в электрохимической промышленности с давних пор и нашли применение в системах катодной защиты. Графит — стабильная модификация углерода, под действием электрохимического процесса он превращается в двуокись углерода. В том случае, если весь накладываемый на графитовый анод ток при катодной защите будет образовывать углекислый газ, такой анод начнет разрушаться со скоростью 1 кг/(А • год). Одна из причин, почему графит разрушается, заключается в выделении кислорода на его поверхности. Но при высокой концентрации хлора в грунтовых электролитах процесс разрушения графита под воздействием кислорода замедляется, поскольку хлор выделяется намного быстрее кислорода. Поэтому графитовые АЗ демонстрируют хорошие показатели в морской воде и прочих средах, содержащих хлор. Материалы, содержащие графит, также имеют ряд недостатков:

• высокое продольное сопротивление графита;
• отсутствие стойкости к влажности грунта;
• подверженность так называемому холодному горению;
• невысокая рабочая плотность тока.

Оценить скорость анодного растворения подобных материалов сложно из-за наличия в них неэлектродных связующих. С учетом добавленных связующих материалы подразделяют на 2 типа: жесткие — графитопласты, гибкие — графитонаполненная резина или полимеры.

Полимеры

Чтобы получить композицию полимерного электрода, производят пластификацию каучукоосновного связующего, а также вводят в смесь пластификатор и наполнитель, содержащий углерод. Полимерные аноды привлекательны с точки зрения стоимости, но имеют ряд существенных недостатков. Главный минус такой композиции в том, что электроды на основе подобных полимеров характеризуются высоким электрическим сопротивлением и низкими показателями максимально допустимого анодного тока. При повышении анодного тока электрод разогревается и на границе раздела фаз токоввод-полимерная электропроводная композиция образуется высокоомная оксидная пленка. В результате работа заземлителя полностью блокируется. Контактный узел электрода на основе полимеров по причине особенностей технологии производства невозможно выполнить при экструзии. Узел устанавливают в электрод, когда последний уже готов. Отсюда и недостатки:

• невысокая механическая надежность;
• увеличенное переходное сопротивление контактного узла.

Из-за таких недостатков заземлитель быстро выходит из строя. Вдобавок в процессе растворения полимерный анод оказывает отрицательное влияние на экологию: графит вырабатывается, а в почве остается чистый пластик, не разрушающийся веками.

Ферросилид

Ферросилид — сплав железа с кремнием. Для анодов его используют при обычных плотностях тока с малыми потерями металла. Потери ферросилида варьируются в диапазоне 0,08-0,5 кг/(А • год). Устойчивость этого сплава против электрохимического разрушения объясняется тем, что на его поверхности образуется проводящая, сцепляющаяся пленка диоксида кремния. Пленка образуется в результате соединения ионов кремния с кислородом. Со временем она покрывает всю поверхность АЗ и не дает ионам железа выйти, за счет чего препятствует растворению анода. Поскольку процессы, протекающие на анодном заземлении, осуществляются с участием электронов, скорость их протекания зависит от величины стекающего, т.е. защитного тока. Железокремнистые анодные заземлители в условиях преимущественного выделения кислорода на аноде работают лучше, чем графитовые. Применение ферросилида в разных грунтах продемонстрировало его высокую эффективность как материала изготовления точечных заземлителей: как поверхностных, так и глубинных.

Магнетит

Магнетит — перспективный материал для изготовления анодных заземлителей. Представляет собой сплав на основе оксидов железа. Магнетитовые изделия производят путем отливок при высокой температуре с использованием специальных добавок. Литой электрод получается гладким, плотным и твердым, напоминая стекло. Скорость растворения магнетита — 0,02 кг/(А•год). Анодное растворение магнетита проходит по такому же принципу, как у ферросилида, но есть несколько отличий. Магнетит обладает большей допустимостью плотности тока, поэтому подходит для широкого применения в различных грунтах и морской воде. Но у него как у материала для анодных заземлителей есть существенные недостатки: сложный технологический процесс и высокая стоимость конечных изделий.

Платина и платинированные металлы

Современный опыт катодной защиты включает использование в качестве материала анодных заземлителей платинированного титана. Такие аноды имеют трубчатую форму и сердечник из меди. Их диаметр составляет от 3 до 25,6 мм. Изделия покрыты платиновым слоем толщиной 20 мкм. У платинированного титана как анода есть не только преимущества, но и недостатки: хрупкость, ломкость, высокая цена. Скорость растворения металла находится на уровне 0,08-0,15 кг/(А•год). Аноды на основе покрытого платиной тантала целесообразно применять в условиях высокого рабочего напряжения в системах катодной з ащиты, в которых возможна авторегулировка потенциала. Поскольку пластина отличается высокой химической стойкостью, платинированные аноды допустимо использовать при плотности анодного тока в пределах 2000-3000 А/м2. Что касается применения чистой платины, то такая возможность ограничивается дефицитностью и высокой стоимостью металла. По этим причинам платину используют только в двух видах: как тонкослойное покрытие на подложке из подверженных пассивации металлов тантала, титана, ниобия или в виде сетки (проволоки), укрепленной в диэлектрической основе. В процессе продолжительных испытаний при плотностях тока в пределах 4,4-40 А/м2 сплавов титана и никеля для анодов в системах катодной защиты было выявлено, что расход материала составляет 1-10 г/(А • год). Такие результаты были бы впечатляющими, не будь процесса образования питтингов. Если на поверхности анода выделяется кислород или хлор, скорость саморастворения анода возрастает из-за подкисления слоя при электроде пропорционально плотности тока. С учетом этого литые аноды из титана с никелем нельзя признать надежными в плане обеспечения работы катодной защиты.

Вывод

Проектируя системы электрохимзащиты, нужно учитывать все плюсы и минусы материалов заземлителей. Лишь правильное понимание протекающих на АЗ процессов позволяет проектировщикам ЭХЗ грамотно подобрать анодный заземлитель в соответствии со свойствами материала и среды, в которой он будет работать в дальнейшем, а также дать верный прогноз по поводу периода эксплуатации.

  К списку статей