Металлы... Будучи однажды открыты человечеством в глубокой древности, они изменили всё — и позволили людям подняться с четверенек и устремить свой взгляд к звёздам…  

Но, войдя в жизни людей, они принесли и присущую им проблему: недолговечность. 

«Но, постойте», скажите вы, — ведь большинство металлов настолько крепки и долговечны, что изделия из них доходят до нас даже из глубокой древности! 

Всё так, однако, нельзя отрицать того, что большинство металлов подвержено коррозии и это представляет собой существенную проблему! Скажем, те же автомобилисты знают, что срок службы кузова автомобиля в большей степени определяет срок его эксплуатации, чем что-либо остальное: скажем, в интернете есть много видео, где энтузиасты заводят автомобили, лежащие на свалках, кузов которых превратился в труху, а сквозь сам автомобиль проросли деревья — то есть, зачастую, двигатель и сопутствующие системы могут работать даже тогда, когда корпус уже полностью разложился … 

Исходя из этого, можно констатировать, что защита металлов от коррозии является существенной проблемой и потребляет большие средства, где на эти затраты люди готовы пойти, так как, собственно, от этого и зависит срок службы изделия! 

Способов защиты существует достаточно много, однако, среди них особняком стоит один довольно интересный, о котором мы и поговорим сегодня: катодная* защита от коррозии!

*В ходе использования такого приёма защищаемый металл будет выступать в роли катода.

До начала рассказа надо отметить, что способ этот одновременно как поразительно простой, так и поразительно эффективный, из-за чего знающие его стараются применять, где это только возможно — поэтому примеры использования такого подхода можно видеть как среди самодельщиков, так и среди предприятий промышленности (в последней так вообще массово). 

Чтобы разобраться в поставленном вопросе, нам придётся начать с самого начала — с коррозии… 

На сегодняшний день явление коррозии хорошо известно науке и учёные разобрались в её причинах, следствием чего стало появление электрохимической теории коррозии, суть которой заключается в том, что металлические объекты, находясь в условиях реального мира, волей-неволей оказываются погружёнными (полностью или частично) в разнообразные электролиты — под которыми можно подразумевать даже влагу, имеющуюся в воздухе, даже в самый жаркий солнечный день. 

В результате подобного взаимодействия поверхности металла и электролита, на поверхности первого образуется большое количество, условно говоря «миниатюрных батареек», сходных по своим свойствам с обычными гальваническими элементами.

При этом, интересно, что вся поверхность металла оказывается покрытой участками, с разной величиной потенциала, где эта разница берёт своё начало из различий кристаллического строения разных участков, напряжений, температуры, загрязнённости и даже различий в механической обработке поверхности.

В результате этого, в условиях воздействия электролита, образуется множество гальванических пар, между разными участками одной поверхности, между которыми локально начинает протекать ток, а картина подобного схематически выглядит примерно следующим образом:

При этом путь тока будет направлен от участка с положительным потенциалом в сторону участка с отрицательным потенциалом*

*Так пишут в литературе, однако, мы ведь знаем, что отрицательный потенциал — это зона избытка электронов, а положительный — зона недостатка электронов, таким образом, всё должно быть наоборот? :-) впрочем, не суть, просто замечание попутно…

Таким образом, более положительная зона будет выступать в роли анода, а более отрицательная — в роли катода. 

Результатом этого процесса станет то, что на аноде будет наблюдаться разрушение поверхности (т.е. коррозия) с переносом ионов в электролит, с последующим приёмом этих избыточных ионов катодом.

Таким образом будет наблюдаться процесс, в ходе которого будет разрушаться (т.е. корродировать) только анод, в то время как на катоде разрушений не будет.

То есть, если попробовать подвести некую черту под пониманием этого процесса, то можно отметить, что для протекания процесса коррозии необходимо 2 условия:

• Присутствовали участки металла (или металлов) с разными потенциалами;

• Чтобы этот(и) металл(ы) вступили друг с другом в контакт через электролит.

Можно констатировать, что в обычных условиях окружающей земной среды условия для протекания коррозии присутствуют постоянно.

Исходя из всего вышесказанного, логически можно предположить (и это будет правдой) что суть катодной защиты должна представлять собой создание таких условий, чтобы защищаемый объект, в рамках защищаемых условий, выступал в роли катода.

Понятие катодной защиты является достаточно широким, и включает в себя, как минимум, два кардинально разных метода, имеющих, однако, сходный принцип действия:

• Электрическая защита (её как раз обычно и называют собственно катодной защитой);

• Протекторная защита.

Рассмотрим оба варианта… 

Электрическая (катодная) защита осуществляется с помощью внешнего источника постоянного тока, полюса которого подсоединяются: отрицательный полюс — к защищаемому объекту (т.е. катоду), а положительный полюс, соответственно — к другому гальваническому элементу (т.е. аноду). Такой способ защиты ещё называется «защитой наложенным током» и его принципиальная схема показана на картинке ниже, на примере защиты подземного трубопровода:

Отмечается, что для улучшения защиты, может быть применён не единый анод, а целая сеть анодов, расположенная поблизости от защищаемого объекта.

Очевидным плюсом такого подхода является возможность использования самых простых металлов для анода — даже обычных, чёрных, так как поляризация осуществляется внешним источником тока, а не свойствами самих металлов. 

Альтернативным варианту, рассмотренному выше, является протекторная защита, суть которой заключается в использовании разных по свойствам металлов: для осуществимости такой защиты, необходимо, чтобы защищаемое изделие было менее электроотрицательным, в то время как анод должен быть более электроотрицательным.

 При этом, и анод и катод могут располагаться так же, как на картинке выше (а также, аналогично случаю выше, может быть применена сеть анодов); либо, даже быть укреплёнными на поверхности друг друга (это довольно интересный способ крепления, с любопытными историческими корнями, и об этом мы ещё поговорим подробнее ниже; -) ).

 Согласно таблице с электродными потенциалами металлов (будет ниже), в качестве электродов следует выбирать такие, которые будут друг с другом составлять сильный гальванический элемент, то есть, разница потенциалов будет максимальна:

На практике, исходя из стоимости материалов и их доступности, в качестве анода применяют три металла: магний, алюминий и цинк.

Было отмечено, что для стали, в составе которой есть железо, одним из высокоэффективных анодов является магний, так как он даёт максимальную разницу потенциалов и, соответственно, максимальную защиту.

Тем не менее, на практике было выявлено, что чистый магний для применения в качестве защиты не годится, так как он слишком быстро разрушается в тех условиях, в которых защиту необходимо обеспечить (например, в почве), поэтому, применяются его сплавы — ниже приведены графики эффективности магниевых анодов, в зависимости от содержания компонентов: марганца, железа, никеля а также таблица с типовым составом магниевых анодов, которые могут применяться для защиты (в ходе тестирования применялся электролит CaSO4):

Вторым металлом, который может использоваться для протекторной защиты является цинк — однако, было выявлено, что он достаточно быстро покрывается продуктами коррозии с высоким сопротивлением, что снижает защиту. 

Ещё одним альтернативным вариантом, как уже было рассказано выше, является использование алюминия, однако, его гораздо меньший потенциал, чем у магниевых анодов, также явился причиной, помешавшей его широкому распространению в качестве средства защиты.

А теперь любопытный исторический факт: как мы видели по таблице выше с потенциалами разных металлов, в качестве анода может быть использован целый ряд металлов, среди которых может выступать даже железо!

Спрашивается, почему исторический, и почему железо?! :-)  

Дело здесь в том, что исторически самым первым фактом применения катодной защиты является использование этого принципа для предотвращения коррозии медной обшивки военных судов — что и было продемонстрировано в 1824 году знаменитым учёным Хэмфри(Гемфри) Дэви:

который в ходе своего эксперимента прикрепил на медную* обшивку военного судна, ниже ватерлинии, кусок железа — что полностью устранило проблемы с коррозией!

*В те годы, для защиты деревянного корпуса судов от гниения и обрастания морскими микроорганизмами, корпус судна защищали, обшивая медными листами.

Экспериментально было выявлено, что для эффективной защиты всего корабля достаточно относительно небольшого кусочка железа, прикреплённого на корпус, площадь которого соотносится с площадью корабля, примерно, как 1:1000 (соотношение было найдено опытным путём, без каких-либо теорий). 

В настоящее время подобный тип защиты на судах выглядит примерно следующим образом (металлические овалы на корпусе):

Тем не менее, успех был недолгим, так как быстро выяснилось, что до эксперимента медь выделяла в воду ионы, которые являются отравой для микроорганизмов, таким образом, вся поверхность корабля, а также некоторое пространство вокруг него, было отравленной зоной, благодаря чему, никакие микроорганизмы и водоросли не могли прикрепляться на поверхность обшивки! 

А эксперимент Дэви оказал медвежью услугу: да, медь перестала разрушаться и выделять в воду ионы, однако, одновременно, поверхность корабля стала быстро обрастать — эксперимент быстренько отменили…

В качестве интересного момента на заметку: если будете интересоваться в популярных изданиях или, в целом, в интернете, то, вы частенько будете видеть, что анод называют каким-то «жертвенным анодом» — тут просто надо иметь в виду, что речь идёт об одном и том же, просто подразумевается, что анод разрушается в процессе защиты…

В наше время, не только суда защищают таким способом, но и, например, покрывают оцинковкой различные объекты, где очевидным плюсом такой защиты является то, что она работает, даже если в каком-то месте она протёрлась, или появилась трещина, пробой — металл (как правило, сталь) всё равно будет защищён. Именно так защищают оцинкованные вёдра, лейки и т.д.

Но объекты для защиты не ограничиваются только перечисленным — гигантскими судами или маленькими вёдрами: кое-кто (и вполне успешно), защищает таким образом свой личный автомобиль! :-)

Для этого, аноды укрепляют: внутри колёсных арок, на днище автомобиля — то есть, в местах наиболее подверженных воздействию влаги. Интересный опыт по таким работам описан вот здесь и вот здесь.

Ну и, напоследок, можно сказать, что жертвенные аноды не являются какой-то редкостью — если забить в любой маркетплейс фразу, наподобие «жертвенный анод для автомобиля», то их там выйдет «вагон и маленькая тележка»… :-) 

Подытоживая, можно отметить, что катодный метод защиты имеет долгую историю и, не теряет свою актуальность и в настоящий день, предоставляя ещё один любопытный способ «научной» защиты металлов от коррозии…

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.