УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2014 года по МПК G01N17/02 

Устройство для электрохимического исследования коррозии металлов относится к области исследования коррозионного поведения материалов в различных средах с помощью построения коррозионных диаграмм, что позволяет оценить характер воздействия отдельных факторов на скорость коррозии, а также выявить наиболее значимый (лимитирующий) процесс (установить степень анодного, катодного и омического контроля).

Данное устройство позволяет проводить исследования коррозионных процессов графическим методом, который имеет ряд преимуществ перед аналитическими методами, а именно: аналитические методы достаточно хорошо согласуются с результатом эксперимента при исследовании простых случаев коррозионного процесса, графические же зависимости легко устанавливаются экспериментально даже для наиболее сложных случаев коррозии, которые отвечают реальным условиям эксплуатации металлических конструкций [1].

Наиболее удобной, наглядной и поэтому распространенной является коррозионная диаграмма Эванса. На данных диаграммах по оси ординат откладывают значение потенциала, а на оси абсцисс - величины катодного и анодного токов, вне зависимости от того, что они имеют противоположное направление.

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента представляет собой разность между равновесными (стационарными) потенциалами катода и анода, измеренными при отсутствии тока в цепи

$$E={\varphi }_{к}^0-{\varphi }_{а}^0$$ .

При протекании тока в системе в соответствии с кинетическими особенностями катодного и анодного процессов в системе наблюдается анодная и катодная поляризация, следовательно, разность потенциалов между электродами уменьшается до величины U. Если омические потери в коррозионной системе пренебрежимо малы, то устанавливается общее для электродов значение потенциала и ток коррозии достигает максимума.

Для расчета скорости коррозии (плотности тока коррозии) необходимо учитывать кинетические особенности протекания процессов на аноде и катоде. Для этого необходимо использовать анодную и катодную поляризуемости:

$$P_{а}=\frac{\Delta {\varphi }_a}{i}$$ и $$P_{к}=\frac{\Delta {\varphi }_{к}}{i}$$ .

Для расчета скорости коррозии можно воспользоваться следующим уравнением:

$$i=\frac{{\varphi }_{к}^0-{\varphi }_{а}^0}{R+P_{к}+P_{а}}=\frac{E}{R+P_{к}+P_{а}}$$

Таким образом, скорость коррозионного процесса определяется сопротивлением отдельных ее составляющих: омический контроль, катодная и анодная поляризуемости.

Произвести расчет степени анодного, катодного и омического контроля можно по следующим формулам:

$$C_A=\frac{\Delta E_A}{\Delta E_A+\Delta E_K+\Delta E_R}\cdot 100\%=\frac{\Delta E_A}{E_K^0-E_A^0}\cdot 100\%$$ ;

$$C_K=\frac{\Delta E_K}{\Delta E_A+\Delta E_K+\Delta E_R}\cdot 100\%=\frac{\Delta E_K}{E_K^0-E_A^0}\cdot 100\%$$ ;

$$C_R=\frac{\Delta E_R}{\Delta E_A+\Delta E_K+\Delta E_R}\cdot 100\%=\frac{\Delta E_R}{E_K^0-E_A^0}\cdot 100\%$$ ,

где C_A - степень анодного контроля;

C_K - степень катодного контроля;

C_R - степень омического контроля;

$$\Delta E_A=E_A-E_A^0$$ - анодная поляризация, т.е. смещение потенциала анода при протекании через него тока, В;

$$E_A^0$$ - начальный потенциал анода, В;

E_A - эффективный потенциал анода (потенциал анода при пропускании через него тока), В;

$$E_K^0$$ - начальный потенциал катода, В;

E_K - эффективный потенциал катода (потенциал анода при пропускании через него тока), В;

$$\Delta E_K=E_K^0-E_K$$ - поляризация катода, В;

$$\Delta E_R=IR=E_K-E_A$$ - омическое падение потенциала при величине тока пары I, В;

R - омическое сопротивление, Ом;

E_K-E_A - эффективная разность потенциалов электродов при токе пары I, В.

Затем, зная величину коррозионного тока, произвести расчет весового показателя коррозии $$(K_{вес}^{-})$$ :

$$K_{вес}^{-}=\frac{I\cdot A}{26.8\cdot n\cdot S};\left[\frac{г}{{м}^2}\right],$$

где I - сила коррозионного тока, А; A - атомная масса металла, г; n - число электронов, принимающих участие в электрохимическом акте, S - площадь поверхности анодного образца, м².

Определение степени контроля каждой из вышеперечисленных составляющих имеет большое практическое значение, т.к. для эффективного управления процессом коррозии необходимо оказывать влияние на лимитирующую стадию.

Известно устройство для экспериментального построения коррозионной диаграммы [2], с помощью которого, по мнению авторов, можно проводить исследования замкнутого коррозионного элемента.

Исследуемые электроды погружаются в раствор, к ним подводятся электроды сравнения. Замыкая цепь тумблером, измеряют коррозионный ток с помощью «нулевого амперметра». Одновременно с этим измеряют потенциал одного и второго исследуемых электродов с помощью измерителя потенциала и переключателя.

Достоинствами данной схемы является простота исполнения и проведения эксперимента.

В качестве недостатков можно выделить:

1) невозможность регулировки тока в цепи, следовательно, нет возможности измерить потенциалы электродов при разном токе;

2) включение миллиамперметра в цепь не позволяет измерить ток короткозамкнутого коррозионного элемента вследствие наличия сопротивления шунта прибора;

3) использование миллиамперметра не позволяет исследовать коррозионные элементы с малыми токами, включение микроамперметра в цепь приведет к увеличению электрического сопротивления шунта, и следовательно, приведет к еще большим погрешностям определения максимального тока коррозионного макроэлемента.

Имеются и другие схемы, предназначенные для измерения потенциалов электродов коррозионного элемента и силы тока, протекающего при различных условиях [3]. Данные схемы позволяют определить токи короткозамкнутого элемента, а также устранить влияние внутреннего сопротивления коррозионной пары.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [4], которое позволяет определить потенциалы электродов при отсутствии тока в цепи, а также потенциалы при различных значениях силы тока.

Исследуемые электроды и электроды сравнения помещаются в раствор электролита, находящийся в сосудах. Растворы в сосудах соединяются электролитическим ключом. Измерение потенциалов электродов в отсутствии тока в цепи производят с помощью милливольтметра и переключателя. Для измерения потенциалов электродов при определенном значении силы коррозионного тока при замкнутой цепи на магазине сопротивлений выставляют необходимое значение электрического сопротивления и измеряют силу тока с помощью миллиамперметра, при этом измеряют установившиеся значения электродных потенциалов при помощи милливольтметра и переключателя. Установка предполагает проведение исследования при постоянной и регулируемой температуре, что достигается использованием термостата в комплексе с мешалкой и термометром.

На основании получаемых экспериментальных данных строится коррозионная диаграмма, анализ которой позволяет рассчитать степень анодного, катодного и омического контроля, а также весовой показатель коррозии.

Однако данная схема имеет ряд существенных недостатков, а именно:

- измерение силы тока миллиамперметром или микроамперметром приводит к тому, что в цепь последовательно к добавочному сопротивлению включается шунт, имеющий собственное сопротивление, которое зависит от выбираемого диапазона измерения силы тока.

- измерение силы коррозионного тока в широком диапазоне значений невозможно, т.к. при переключении диапазона измерения меняется сопротивление шунта и это непременно влияет на протекание процессов в исследуемом коррозионном элементе.

Техническим результатом предлагаемого устройства является упрощение схемы установки для измерения силы тока практически короткозамкнутого коррозионного элемента.

Это достигается тем, что в устройстве для электрохимического исследования коррозии металлов, включающем магазин сопротивлений для регулировки тока и приборы для регистрации потенциалов и силы тока, согласно предлагаемому изобретению вместо миллиамперметра или микроамперметра применяется высокоомный цифровой милливольтметр, подключенный параллельно к калиброванному резистору (8) (фиг.3), подключенному последовательно с магазином сопротивлений и имеющему малое значение электрического сопротивления (десятые доли и единицы Ом). Измеряя падение напряжения на данном резисторе, можно из закона Ома вычислить величину силы тока, протекающего через исследуемую цепь.

Преимуществами данной схемы являются:

- возможность исследования различных коррозионных элементов, дающих как очень маленькие значения силы тока (микроамперы), так и значительно большие (миллиамперы и выше);

- возможность измерения потенциалов электродов коррозионного элемента при различных значениях силы тока в цепи вплоть до тока, близкого к току короткого замыкания;

- установка для проведения исследований проста в изготовлении и использовании.

Не выявлены решения, имеющие признаки заявляемого способа.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.

На фиг.2 приведен пример коррозионной диаграммы (по оси ординат - значение потенциала электродов, а на оси абсцисс - величины катодного и анодного токов, вне зависимости от того, что они имеют противоположное направление).

Установка для электрохимического исследования коррозии металлов (фиг.1) включает в себя цепь для измерения потенциалов электродов, цепь для измерения коррозионного тока, а также термостат.

Цепь для измерения потенциалов состоит из электродов (1), погруженных в растворы, находящиеся в сосудах (4). Растворы соединяются электролитическим ключом (3). В каждый раствор погружается электрод сравнения (например, хлорсеребряный электрод) (2). Переключатель (6) и милливольтметр (7) позволяют измерять потенциалы металлических электродов относительно применяемого электрода сравнения.

Цепь для измерения коррозионного тока состоит из электродов (1), погруженных в растворы, находящиеся в сосудах (4). Растворы соединяются электролитическим ключом (3). Между электродами последовательно включены: тумблер (5), калиброванный резистор (8) с подключенным параллельно к нему высокоомным цифровым милливольтметром (9), магазин сопротивлений (10).

Термостат состоит из сосуда, заполненного теплоносителем, наример водой (13), в который погружены сосуды с исследуемыми электродами, а также мешалка (11) и термометр (12).

Электрохимическое исследование коррозионного элемента осуществляется следующим образом. В соответствии со схемой (фиг.1) собирается установка.

Металлические образцы частично изолируют по длине термоусадочной трубкой или лаком для создания определенной площади поверхности и предотвращения контакта металлической поверхности с границей раздела фаз «раствор-воздух». Затем производят обработку поверхности в соответствии с ГОСТ 9.305-84.

При разомкнутом тумблере (5) измеряют потенциалы исследуемых металлических образцов при отсутствии тока в цепи (стационарный потенциал металлического электрода), который затем пересчитывают относительно стандартного водородного электрода (СВЭ). При замыкании цепи тумблером (5) выставляется с помощью магазина сопротивлений (10) необходимое значение электрического сопротивления и милливольтметром (9) измеряют падение напряжения на калиброванном резисторе (8). Полученное значение напряжения используют для расчета силы тока в исследуемой цепи из закона Ома.

По полученным экспериментальным данным строят коррозионную диаграмму в координатах $$E_{(СВЭ)}=f(I)$$ . На фиг.2 приведен пример такой диаграммы.

Затем производят расчет степени анодного, катодного и омического контроля, а также весового показателя коррозии $$(K_{вес}^{-})$$ :

$$K_{вес}^{-}=\frac{I\cdot A}{26.8\cdot n\cdot S};\left[\frac{г}{{м}^2}\right]$$ .

В заключение можно сделать вывод о механизме контактной коррозии исследуемых металлов в условиях испытания (контролирующем факторе), о коррозионной стойкости анода, об эффективности работы протектора.

Источники информации

1. Томашов Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М.: Изд. АН СССР, 1960. - 591 с.

2. Стэнжала С., Китовски А., Шафраньска И. Оценка электрохимических свойств алюминиевых покрытий, наносимых методом погружения, как антикоррозионной защиты низкоуглеродистых сталей в среде животноводческих объектов // Защита металлов. - 1987. - т.XXIII, №3. - С.419-423.

3. Розенфельд И.Л., Вашков О.И. К методике измерения токов коррозионных элементов

4. Томашов Н.Д., Жук Н.П., Титов В.А., Веденеева М.А. Лабораторные работы по коррозии и защите металлов. - М.: Металлургия, 1961 г., 239 с.

Устройство для электрохимического исследования коррозии металлов относится к области исследования коррозионного поведения материалов в различных средах с помощью построения коррозионных диаграмм, что позволяет оценить характер воздействия отдельных факторов на скорость коррозии, а также выявить наиболее значимый (лимитирующий) процесс (установить степень анодного, катодного и омического контроля). Установка для электрохимического исследования коррозии металлов (фиг. 1) включает в себя цепь для измерения потенциалов электродов, цепь для измерения коррозионного тока, а также термостат. Цепь для измерения потенциалов состоит из электродов (1), погруженных в растворы, находящиеся в сосудах (4). Растворы соединяются электролитическим ключом (3). В каждый раствор погружается электрод сравнения (например, хлорсеребряный электрод) (2). Переключатель (6) и милливольтметр (7) позволяют измерять потенциалы металлических электродов относительно применяемого электрода сравнения. Цепь для измерения коррозионного тока состоит из электродов (1), погруженных в растворы, находящиеся в сосудах (4). Растворы соединяются электролитическим ключом (3). Между электродами последовательно включены: тумблер (5), калиброванный резистор (8) с подключенным параллельно к нему высокоомным цифровым милливольтметром (9), магазин сопротивлений (10). Термостат состоит из сосуда, заполненного теплоносителем, наример водой (13), в который погружены сосуды с исследуемыми электродами, а также мешалка (11) и термометр (12). Электрохимическое исследование коррозионного элемента осуществляется следующим образом. В соответствии со схемой (фиг.1) собирается установка. Металлические образцы частично изолируют по длине термоусадочной трубкой или лаком для создания определенной площади поверхности и предотвращения контакта металлической поверхности с границей раздела фаз «раствор-воздух». Затем производят обработку поверхности в соответствии с ГОСТ 9.305-84. При разомкнутом тумблере (5) измеряют потенциалы исследуемых металлических образцов при отсутствии тока в цепи (стационарный потенциал металлического электрода), который затем пересчитывают относительно стандартного водородного электрода (СВЭ). При замыкании цепи тумблером (5) выставляется с помощью магазина сопротивлений (10) необходимое значение электрического сопротивления, и милливольтметром (9) измеряют падение напряжения на калиброванном резисторе (8). Полученное значение напряжения используют для расчета силы тока в исследуемой цепи из закона Ома. По полученным экспериментальным данным строят коррозионную диаграмму в координатах $$E_{(СВЭ)}=f(I)$$ . На фиг.2 приведен пример такой диаграммы. Затем производят расчет степени анодного, катодного и омического контроля, а также весового показателя коррозии. Техническим результатом является упрощение схемы установки для измерения силы тока практически короткозамкнутого коррозионного элемента. 2 ил.

Устройство для электрохимического исследования коррозии металлов, включающее магазин сопротивлений для регулировки тока и приборы для регистрации потенциалов и силы тока, отличающееся тем, что для измерения силы тока коррозии используется милливольтметр, подключенный параллельно к калиброванному резистору с известным электрическим сопротивлением.