Фізика корозії. Частина друга.
Потужний тягач волок понівечену «Пантеру». Ні, не в мартені належало їй опинитися. Танку на цей раз підготували рідкісний кінець. Це відбувалося на будівництві газопроводу Дашава-Київ. Щоб магістраль служила довго, треба було захистити її від корозії. Тільки як це зробити?
Один спосіб ми вже знаємо: забезпечити в металі надлишок електронів або, як виразиться електрохімік, повідомити йому негативний потенціал – зробити катодом. Для цього достатньо підключити трубу газопроводу до негативного полюса джерела струму. Позитивний же полюс можна з’єднати з будь-яким металевим предметом, що знаходиться в землі. Це буде анод. Заряджаючись позитивно, він почне виганяти з себе іони металу. Адже вони теж позитивні, а однойменні заряди відштовхуються. Ясно, що анод при цьому стане руйнуватися. Ну і нехай, зате катод – труба газопроводу – вціліє.
Київські вчені запропонували використовувати в якості анодів залишки розбитих німецьких танків. Їм треба було грати роль «цапів-відбувайлів». Розрахунки показали, що ці багатотонні махини здатні протягом багатьох років захищати газопровід від корозії.
Цей спосіб називають катодним захистом. Він зручний, але є у нього і недолік: потрібні джерела струму. Однак можна обійтися і без них. Нехай струм дає сама корозія. Для цього до трубопроводу під’єднують пластину зі сплаву магнію з цинком. Виходить гальванічна пара. Вона виробляє струм, який захищає трубопровід від корозії. Пластина кородує, але зате трубопроводу корозія не є небезпечною. Такий захист називається протекторним. Його застосовують і на хімічних комбінатах, і на океанських лайнерах, і на нафтопромислах Каспію.
КАТОД – ТА НЕ ТОЙ
Назва доповіді не обіцяла нічого цікавого. «Катодна поведінка …» – далі я і не читав. Зітхнувши, я перервав свій черговий експеримент, про всяк випадок взяв книжку, яку беріг для поїздок в метро, і пішов на семінар.
Побіжно глянувши на розвішані по стінах таблиці і графіки, я сів у кутку. Але книгу так і не розкрив. Після перших же декількох фраз, сказаних доповідачем, вірніше доповідачкою – це була старший науковий співробітник Г. М. Флоріанович, – я забув і про книгу, і перерваний експеримент, бо розповідалося про речі несподівані і цікаві.
Говорячи про корозії, я раз у раз підкреслював, що цей процес електрохімічний. Недарма для нас, корозіоністів, електрохімія – найближча наука. Але в доповіді, яку я слухав, говорилося, що іноді процес корозії не має ніякого відношення до чистої електрохімії. Це сприймалося так, як якщо б я почув, що падіння каменя визначається аж ніяк не законом всесвітнього тяжіння.
Так ось, в експериментах, які проводилися під керівництвом професора Я. М. Колотиркіна, вивчалася поведінка металів в сірчаної кислоти. Хотілося з’ясувати, як в таких умовах металу допомагає катодний захист. І тут виявилося, що при підвищеній температурі цей захист зовсім не захищає. Найдивнішим результатом було те, що при будь-якій величині струму захисту катод розчинявся з однією і тією ж швидкістю.
Можна було подумати, що на іони перестали діяти електричні сили. Але, зрозуміло, цього бути не могло. Залишалося припустити, що дослідники зіткнулися з якимось новим явищем. Було схоже, що процес розчинення тут йшов зовсім не так, як описується в підручниках. А як же? Це поки не ясно. Але ось одна з гіпотез: мабуть, розчинення в цьому випадку представляє собою звичайну хімічну реакцію металу з якимись незарядженими молекулами, швидше за все – з молекулами води.
До того пам’ятного семінару ніхто з нас не сумнівався, що на катодний захист завжди можна покластися. Але в стовпчиках експериментальних даних, в незвичній формі кривих на графіках як би чулося попередження: обережніше, ви ще не все знаєте!
РЯТІВНА ПАСИВНІСТЬ
Цистерна була звичайнісінька. Начальник сірчанокислотного цеху вирішив, що її подали помилково. П’ятдесятивідсоткову кислоту в такій цистерні везти не можна. Даремно представник інституту металів запевняв, що все буде в порядку. Тільки після дзвінка директора заводу начальник цеху здався. В горловину стали заливати кислоту.
Цистерна благополучно прибула до місця призначення. Прискіпливий огляд її та аналіз кислоти не залишали ніяких сумнівів: знайдений ще один спосіб запобігати корозії – анодний захист. Суть його в тому, що предмет, який потрібно захистити, роблять анодом, тобто підключають до позитивного полюса джерела струму. Тут може з’явитися подив. Ми вже знаємо, що анод в такому випадку повинен швидко розчинятися. Але цистерна не розчиняється. Вона вела себе так, ніби була не з сталі, а з платини.
Щоб зрозуміти, в чому тут справа, нам доведеться познайомитися з дуже цікавим явищем – пасивністю металів. Так, анод дійсно розчиняється. І чим більше його потенціал, тим швидше це відбувається. Але так до пори до часу. При якомусь значенні потенціалу швидкість корозії різко падає, іноді в мільйон разів. Метал раптом стає стійким в дуже агресивних рідинах. При цьому просте залізо, скажімо, мало чим поступається благородним металам.
Чому метал стає пасивним? До недавнього часу на це питання відповідали так: в розчині на поверхні металу утворюється окисна плівка, яка перешкоджає розчиненню. Однак зараз електрохіміки розуміють, що так просто пасивність не пояснити.
Мабуть, пасивність викликається не окисною плівкою, а якимись частками (іонами, молекулами), які, потрапивши на поверхню, змушують її змінити властивості. У розчинах, де є речовини – окислювачі, метал може пассивуватися мимовільно. В інших випадках необхідний для пасивації потенціал треба створювати штучно. Саме таким способом «примирили» залізо і сірчану кислоту.
А хіба не можна було покликати на допомогу інгібітори? Можна, але інгібітори забруднюють кислоту і до того ж багато з них в ній самі нестійкі. Може бути, нас виручив б катодний захист? Теж ні. По-перше, при цьому виділяється водень, а він і горить, і вибухає. По-друге, для катодного захисту в кислоті потрібен великий струм. Не возити ж за кожною цистерною вагон з акумуляторами! Анодний ж захист абсолютно безпечний і куди економічніший. Струми тут в тисячі разів менше.
Пасивним металам іони хлору особливо небезпечні. Коли такий іон сідає на металеву поверхню, пасивності в цьому місці наче й не було. Таких точок не так вже й багато, але зате розчинення тут йде з великою швидкістю. Іноді прямо на очах пластина як би просверлюється незримими свердлами. І це не просто образ: отвір і справді виходить настільки правильної форми, що напрошується думка використовувати такий вид корозії замість дриля.
Автор: Г. Макаревич.