4.14.Электрохимическая коррозия металлов
Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды. Коррозия характерна для материалов, состав и структура которых далеки от природных. При получении таких материалов из исходных природных минералов и руд затрачивается энергия, энергетически «приподнимая» материал над окружающей средой. При эксплуатации в природных условиях материал стремится вернуться в исходное состояние, на более низкий уровень энергии. Кроме того, коррозионные процессы энергетически обеспечиваются и сторонними источниками. В природной среде коррозия носит, как правило, электрохимический характер. Это означает, что электрическим процессам движения заряженных частиц (электронов и ионов) сопутствуют химические реакции окисления и восстановления.
По характеру источника энергии. Обеспечивающего протекание этих процессов электрохимическую коррозию можно подразделить на 3 вида:
- коррозия в неоднородной и влажной грунтовой среде,
- контактная коррозия,
- электрокоррозия.
Коррозия во влажной среде (в грунте, при увлажнении туманом, дождем и т.п.) происходит при разделении поверхности металла на участки с разными электрохимическими характеристиками (анодные и катодные зоны).
В анодной зоне идет выход ионов металла из кристаллической решетки в окружающую среду и соединение с присутствующими там ионами. В катодной зоне приэлектродная реакция сводится к восстановлению отрицательных гидроксильных ионов за счёт электронов металла, кислорода и воды грунта:
4e-+O2+2H2O=4OH-
Разделение на катодную и анодную области происходит по причине разной концентрации кислорода в этих областях. Например, заземляющий проводник проходит из воздуха в грунт. Во влажной воздушной среде образуется катодная зона – здесь много кислорода. Под поверхностью грунта кислорода меньше, и здесь образуется анодная зона, где металл корродирует.
К
онтактная
коррозия происходит при электрическом
контакте между собой различных металлов
во влажной среде. Более "благородные"
из этих металлов имеют более положительный
электродный потенциал и «перетягивают»
в себя электроны из металла, имеющего
менее положительный электродный
потенциал. «Благородные» металлы
являются катодом в паре с менее
"благородным", корродирующим
анодом. Электрохимический ряд металлов,
применяемых в электроэнергетике, имеет
следующий вид (вышерасположенные металлы
более "благородны" по сравнению с
нижерасположенными):
медь
свинец
сталь в бетоне
сталь в грунте
алюминий
цинк.
Тот или иной электрохимический потенциал металла по отношению к грунту обусловлен особенностями взаимодействия металла с грунтовой средой. Электрохимические потенциалы измеряются по отношению к стандартным электродам сравнения, электрохимический потенциал которых неизменен.
При контактной коррозии имеет значение соотношение площадей поверхности металлов коррозионной пары. Поскольку значение тока анода и катода одно и то же, то соотношение площадей определяет соотношение плотностей тока с анода и катода. Интенсивнее электродные реакции идут при более высоких плотностях тока. Так, например, широко известен способ защиты стали от коррозии путём оцинковки, то есть покрытия поверхности стали тонким слоем цинка. Цинк по отношению к стали является анодом и будет растворяться, защищая сталь. Но поскольку, поверхность стали, соприкасающаяся с влажной средой минимальна (трещины в поверхности цинка, отверстия для болтов и т.п.), то для защиты стали требуется малый ток, который в расчёте на большую поверхность цинка создаёт мизерные плотности тока, и цинк растворяется весьма медленно. Оцинковки хватает на десятки лет. Иное дело, когда поверхность анода сравнима с поверхностью катода или превышает её. Например, если применить оцинкованные заземлители, то на подстанции они будут работать в паре с арматурой железобетона, поверхность которой больше, нежели оцинкованная поверхность заземлителей. Большой ток такой пары вызовет быстрое растворение цинка. Опыт показывает, что полное растворение цинка с поверхности оцинкованных стальных заземлителей происходит в течение 1-2х лет. Поэтому здесь оцинковка неэффективна.
Медные заземлители вызывают коррозию стальных труб, свинцовых и алюминиевых оболочек кабелей.
- Электрокоррозия (коррозия под действием блуждающих токов) происходит в водной и грунтовой средах в зонах, прилегающих к электрифицированному на постоянном токе транспорту (железная дорога, трамвай, метро). Электрокоррозии подвержены обычно протяжённые металлические коммуникации, например, трубопроводы. Схема коррозионных токов показана на рис. 4.12.
Рис 4.12. Пример распределения блуждающих токов при наличии ВЛ, проходящей вблизи электрифицированной железной дороги
На рисунке рассмотрен пример, когда вблизи железной дороги, электрифицированной на постоянном токе, проходит воздушная линия электропередачи (ВЛ). Грозозащитный трос этой ВЛ соединён с заземлёнными опорами.
Электрокоррозия происходит в тех зонах, где потенциал металла по отношению к грунту положительный. Такие зоны называются анодными. Здесь с металла ток стекает, вынося с собой ионы металла, то есть, вызывая электрокоррозию (см. рис 4.12).