CC BY
9Природные ресурсы, их современное состояние, охрана., промысловое и техническое использование
УДК 620.19
И.А. Романенков, И.В. Малолетко, Р.М. Трибунская
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: restartll01@mail.ru
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЛОКАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ
Для проектирования и оценки состояния электрохимической защиты корпусов морских судов необходимо учитывать многие факторы, в том числе и интенсивность процессов коррозии на разных участках корпусных конструкций. Морская коррозия, как и каждый электрохимический процесс, контролируется скоростью наиболее медленной из его стадий, а скорость реакций на каждой стадии определяется условиями торможения как самой реакции химической поляризации, так и транспорта реагирующих частиц и продуктов реакции в процессе концентрационной поляризация. Поэтому исходным данными при изучении кинетики электрохимической коррозии металлов являются вольт-амперные характеристики процессов поляризации. Полученные данные позволяют осуществлять выбор наиболее эффективного способа электрохимической защиты, а также определить особые зоны корпуса судна, наиболее подверженные процессам коррозии [1, 2].
В статье рассматривается методика оценки локальной скорости процессов электрохимической коррозии судовых корпусных конструкций на основании явления поляризации с использованием поляризационных кривых.
Ключевые слова: электрохимическая коррозия, химическая поляризация, вольт-амперная характеристика, электрохимическая защита.
I.A. Romanenkov, I.V. Maloletko, R.M. Tribunskaya
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: restart1101@mail.ru
METHOD FOR ESTIMATING LOCAL VELOCITY OF ELECTROCHEMICAL
CORROSION PROCESSES
It is necessary to take into account many factors, including the intensity of corrosion processes in different parts of the hull structures to design and assess the state of hulls electrochemical protection on sea vessels. Marine corrosion, as every electrochemical process, is controlled by the rate of the slowest of its stages, and the rate of reactions at each stage is determined by the conditions of inhibition of both the chemical polarization reaction itself and the transport of reacting particles and reaction products during concentration polarization. Therefore, the initial data in the study of the metals electrochemical corrosion kinetics are the current-voltage characteristics of the polarization processes. The obtained data make it possible to select the most effective method of electrochemical protection, as well as to determine the special zones of the ship's hull most susceptible to corrosion processes [1, 2].
The methodology for assessing the local rate of electrochemical corrosion processes of ship hull structures based on the phenomenon of polarization using polarization curves are described in the article.
Key words: electrochemical corrosion, chemical polarization, current-voltage characteristic, electrochemical protection.
Поляризационной кривой называют вольт-амперную характеристику процесса поляризации q(/n), представленную графически и смещенную по оси ординат на величину стационарного потенциала ф. Поляризационная кривая отражает зависимость:
ц + ф = I(jn),
где jn - нормальная составляющая плотности тока на рассматриваемой поверхности; ц - перенапряжение.
Типичная форма поляризационной кривой металла в морской воде приведена на рис. 1, где область ]п > 0 соответствует процессу анодной поляризации, а область у„ < 0 - катодной поляризации [3].
11 + ф
0 ь
ф
Рис. 1. Типичная форма поляризационной кривой при коррозии металлов в морской воде
Однако на практике удобнее использовать поляризационные кривые, представленные на рис. 2, где по оси абсцисс отложены значения | ]п |, а по оси ординат величина - ^ + ф. В таком виде для каждого металла можно построить отдельно как анодную (рис. 2, кривая 1), так и катодную (рис. 2, кривая 2) поляризационные кривые [4, 5].
Рис. 2. Рабочие поляризационные кривые
Рис. 3. Катодная поляризационная кривая
Рассматривая приведенные типичные поляризационные кривые, можно установить некоторые общие закономерности электрохимических процессов при коррозии металлов в морских условиях. Сопоставляя величины анодного и катодного перенапряжений при одной и той же плотности тока и сравнивая общий вид представленных кривых, можно заключить, что процесс морской коррозии протекает в большинстве случаев с резко выраженным катодным контролем » ца), причем форма катодной поляризационной кривой, как правило, значительно сложнее, чем анодной. Последнее объясняется тем, что анодная кривая характеризует в основном один процесс:
Ме ^ Ме+п + пе- , (1)
тогда как катодная поляризационная кривая отражает последовательное протекание разных электрохимических процессов:
О2 + 2Н2О + 4е- ^ 40Н-, (2)
2Н+ + 2е- ^ Ш|. (3)
В связи с этим на катодной поляризационной кривой металла в морской воде могут быть выделены три типичных участка, представленных на рис. 3.
Участок 1 соответствует процессу химической поляризации при восстановлении растворенного кислорода.
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование
Вольт-амперная характеристика этого процесса следует из общих соотношений теории замедленного разряда и может быть представлена в виде:
Л =2ACs sh
f F ^
л
2RT
(4)
где j'k - катодная плотность тока; А - константа; Cs - концентрация реагирующих частиц (молекул растворенного кислорода) у поверхности реакции; F - число Фарадея; q - перенапряжение рассматриваемого процесса (отрицательное смещение потенциала катода по отношению к равновесному потенциалу); R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.
На этом участке плотность тока относительно невелика, поэтому концентрация растворенного кислорода не лимитирует скорость рассматриваемого процесса и может быть принята постоянной для всей поверхности реакции [6, 7].
Участок 2 на рис. 3 соответствует процессу концентрационной поляризации, определяемой скоростью диффузии кислорода к поверхности катода. Вольт-амперные характеристики процесса концентрационной поляризации также могут быть представлены формулой (4), если считать входящую в нее величину Cs переменной по поверхности, что вполне допустимо, так как условия диффузии растворенного кислорода существенно разнятся на различных участках поверхности. В связи с этим вольт-амперные характеристики процесса концентрационной поляризации на различных участках катодной поверхности различны и зависят как от конфигурации этой поверхности, так и от внешних условий, в первую очередь - от условий обтекания корпуса морской водой.
Однако для вольт-амперных характеристик на различных участках поверхности сохраняются некоторые общие закономерности. Основная из них заключается в том, что при концентрационной поляризации плотность тока не может превысить некоторой предельной (для данной точки) величины, называемой плотностью предельного диффузионного тока /пр. Величина /пр также зависит от условий обтекания поверхности корпуса.
Участок 3 на рис. 3 соответствует значительным перенапряжениям, которые достигаются, например, в непосредственной близости от границы металлов с большой разностью стационарных потенциалов. На этом участке рассматриваемый катодный процесс определяется восстановлением ионов водорода и в отличие от реакции (2) тормозится только химической поляризацией, так как концентрация ионов водорода в морской воде достаточно велика.
Таким образом, рассмотренные типичные поляризационные кривые в некоторых случаях отличаются от поляризационных кривых, характеризующих кинетику процессов морской электрохимической коррозии в реальных условиях. Это объясняется влиянием различных пленок на поверхности металла подводной части корпуса судна, неконтролируемых условий обтекания этой поверхности и многих других факторов [8-10].
Однако поляризационные кривые позволяют определить лишь взаимосвязь между потенциалом и плотностью тока на поверхности металла, а не сами эти величины, непосредственно характеризующие локальную скорость коррозии металла. С изменением электрохимических условий (при повреждении лакокрасочных покрытий, изменении эксплуатационных или гидрофизических условий плавания судна и т. п.) поляризационные кривые, а соответственно и результаты проводимых с их использованием расчетов, будут также меняться. Поэтому для получения достаточно полных данных распределения коррозионного потенциала и тока в процессе эксплуатации судов необходима также информация о динамике рассматриваемых электрохимических процессов [11-15].
В связи с этим при проектировании средств защиты от контактной коррозии знания одних поляризационных кривых недостаточно - они являются лишь необходимыми исходными данными при нахождении распределения потенциала и тока по корродирующей поверхности. В свою очередь, решение таких задач требует использования специальных методов расчета, моделирования и натурных измерений [16, 17].
Литература
1. Белов О.А. Антикоррозионные мероприятия как фактор экологической безопасности на морском транспорте // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое: Материалы X Нац. (всерос.) науч.-практ. конф. - 2019. - С. 76-79.
2. Разработка мероприятий по защите корпусов судов от электрокоррозии на судоремонтных предприятиях / О.А. Белов, В.А. Швецов, Д.П. Ястребов, В.А. Ветров, А.Д. Щелканов, И.И. Бондарчук // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - 2019. - С. 31-32.
3. ЗобочевЮ.Е. и др. Коррозия и защита морских судов. - Л.: Судостроение. - 1973. - 392 с.
4. Белов О.А., Зайцев С.А., Кротенко Д.С. Общие принципы расчета и установки подвесной протекторной защиты на судах при долговременном стояночном режиме // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы IX Всерос. науч.-практ. конф. - 2018. - С. 114-118.
5. Оценка эффективности методик измерения потенциала стальных корпусов рыбопромысловых судов / В.А. Швецов, О.А. Белов, Д.В. Шунькин, О.А.Белавина, А.Ю. Бессонов // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Седьмой всерос. науч.-практ. конф. - 2016. -С.191-193.
6. Белов О.А. Задачи оценки безопасного уровня электрохимической защиты корпуса в процессе эксплуатации морских судов // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Девятой всерос. науч.-практ. конф. - 2018. - С. 17-20.
7. Совершенствование контроля защищенности стальных корпусов морских судов от электрокоррозии / О.А. Белов, В.А. Швецов, Д.В. Шунькин, О.А. Белавина // Коррозия: материалы, защита. - 2018. - № 5. - С. 9-16.
8. Белов О.А. Проблемы защиты судов Камчатского флота от коррозии и пути их решения // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы IX всерос. науч.-практ. конф. - 2018. - С. 110-113.
9. Оперативный контроль состояния антикоррозионной защиты как фактор безопасности технической эксплуатации морских судов / О.А. Белов, А.О. Шуваева, С.А. Клементьев, А.В. Фе-дин // Инноватика и экспертиза: Научные труды. - 2020. - № 1 (29). - С. 152-159.
10. К вопросу о продолжительности периода эффективной работы систем защиты от коррозии стальных корпусов вспомогательных судов / О.А. Белов, В.А. Швецов, Д.А. Арчибисов, О.А. Белавина // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2017. - № 3. - С. 7-15.
11. О выборе электродов для контроля систем протекторной защиты стальных судов и кораблей / Д.П. Ястребов, О.А. Белов, В.А. Швецов, О.А. Белавина // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2019. - № 4. -С. 39-45.
12. Белов О.А. Современное состояние организации комплексной защиты металлических корпусов кораблей и судов от коррозии // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2017. - № 3 (118). -С.115-120.
13. Контроль качества ремонта систем ПЗ и ЛКП на судах типа МРС / О.А. Белов, Д.П. Ястребов, В.А. Швецов, О.А. Белавина // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Восьмой всерос. науч.-практ. конф. - 2017. - С. 58-59.
14.Белов О.А., Швецов В.А., Ястребов Д.П. Обоснование оптимальной периодичности контроля работы протекторной защиты стальных корпусов судов // Эксплуатация морского транспорта. - 2017. - № 1 (82). - С. 55-58.
15. Внедрение усовершенствованного способа контроля систем протекторной защиты стальных корпусов судов камчатского флота / О.А. Белов, В.А. Швецов, Д.П. Ястребов, О.А. Белавина, Д.В. Шунькин // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2017. -№ 39. - С. 6-11.
16. Патент на полезную модель RU 169581 U1, 23.03.2017. Устройство для контроля протекторной защиты стальных корпусов кораблей и судов / В.А. Швецов, О.А. Белов, Д.В. Шунькин, О.А. Белавина, С.П. Лысянский, В.В. Адельшина; Заявитель и патентообладатель Камчатский государственный технический университет (RU). Заявка № 2016139086 от 04.10.2016.
17. Патент на изобретение RU 2643709 C1, 05.02.2018. Способ контроля защищенности стальных корпусов кораблей и судов от электрохимической коррозии и электрокоррозии / О.А. Белов, В.А. Швецов, О.А. Белавина; Заявитель и патентообладатель Камчатский государственный технический университет (RU). Заявка № 2017115308 от 28.04.2017.
