电化学保护_阴极保护

5.1.3 牺牲阳极性能要求
（ 3）阳极消耗率。牺牲阳极的消耗率是单位电量所消耗的阳极 质量，单位是kg· A-1· h-1或者kg· A-1· a-1。对于牺牲阳极来说，实际 测得的消耗单位质量牺牲阳极所产生的电量越大（ A· h· kg-1 ）， 则阳极消耗率越小。 （ 4）腐蚀特征。牺牲阳极的表面腐蚀特征是评定阳极性能的指 标之一。对于性能良好的阳极，要求表面腐蚀均匀，无难溶的沉 积物。阳极使用寿命长，不产生局部腐蚀脱落。牺牲阳极本身的
目前，铝合金阳极的发展向着提高电流效率，改善溶解性能，
适于高电阻率介质及高、低温海水环境方向发展。例如，开发研制 出热海水阳极，半咸水阳极及海泥中铝阳极。为了使海上输油管得 到有效的保护，还开发出手镯式牺牲阳极，使得铝牺牲阳极安装更 合理，发生电流尽可能满足管道要求，以满足所需要的保护寿命。
（二） 铝合金阳极
根据金属电化学腐蚀原理，电位较低（负）的铁和电位较高 （正）的铜连在一起浸入海水中，电位较低的铁被腐蚀而电位较
高的铜得到了保护。若想使铁和铜都不腐蚀，需将一块电位比铜
和铁更低的金属锌接到回路中，并串联毫安表（ mA）指示电流的 大小和方向，如下图所示。
3、基本原理
由于锌板的电化学活性较强，连接 后锌板上发生氧化反应 Zn － 2e→Zn2+ ， 其间有大量的过剩电子沿导线流入铜板 和铁板，而且 e＝ e1 + e2
大的设备及港工建筑与地下管道等。
5.2.1
外加电流保护法组成
辅助阳极
参比电极
阳极屏蔽层
直流电源
（一） 辅助阳极种类及性能
材料 成分 14.5～17%Si 0.3%～0.8%Mn 0.5%～0.8%C 工作电流密度/A·m-2 损耗率/kg·A寿命/a 1·a-1 0.3～1.0 种类 使用范围
Icorr 为系统的腐蚀电流，对应
的 电 位 Ec 为 系 统 的 腐 蚀 电 位
（或称混合电位）。
图 7-2 阴极保护原理腐蚀极化图
3、基本原理
当对系统设备施加阴极保护时，即向设备施加阴极电流使其发
生阴极极化，则系统设备的总电位就向负的方向移动，如移至E1，
这时阴极上的总电流为 I1 ，相当于线段 E1Q ，其中一部分电流是外 加的，相当于PQ段，另一部分电流仍然是由于阳极腐蚀而产生的， 相当于 E1P 段，可以看到，这时阳极的腐蚀电流 I′1 要比原来腐蚀 电流Icorr小，即阳极腐蚀速度降低，得到一定的保护。
5.5～7.5
0.025～-0.035
0.10～ ≤0.1 0.15 6
≤0.2
余量
Al-Zn-In-Sn-Mg
2.5～4.0
0.020～0.050
0.025～ 0.075
0.50 ≤0.1 ～ ≤0.13 ≤0.02 6 1.00 电流效率/%
余量
项目
开路电位/ V（vs.SCE） -1.05～-1.09
式中：el——锌板流入铁板电子数；
e2——锌板流入铜板电子数。
当el足够大时，就能抵消原先引起 铁板腐蚀的电子流e腐，那么铁板上再没
有电子沿着导线流入铜板了，这时回路
中的电流方向是从铁板和铜板经导线流 入锌板，再由锌板经海水流回铁板和铜
图 7-1 锌板-铁板、铜板
板。
3、基本原理
因此，若电流表上的指针指零或反向，则表示铁的腐蚀电流消 失或得到过剩阴极电流的保护，因此，铁板得到了保护不再发生
Davy 第一个提出用锌块来保护船舶，以后逐步推广到港湾设施，
地下管道和化工机械设备等方面。牺牲阳极法具有电流分散能力 好，不需要外加电源和专人管理，不会干扰临近金属设施，施工
方便等优点。因此，目前在阴极保护中使用仍很广泛。在某些场
合（例如没有外加电源），只能采用牺牲阳极法阴极保护。
5.1.2 定义
合金组织成分及熔炼铸造工艺条件是决定阳极腐蚀特征的重要因
素。
5.1.4 牺牲阳极种类
目前常用牺牲阳极的种类有锌合金阳极、铝合金阳极和镁
合金阳极，另外还有锰合金阳极和铁合金阳极。在海水中常用 的牺牲阳极为锌合金阳极和铝合金阳极。
1）锌合金阳极
锌合金阳极是使用较早且较普遍的一种阳极。锌阳极的种 类很多，有纯锌体系， Zn-Al 系， Zn-Sn 系， Zn-Hg 系等等，但 常用的锌阳极主要是纯锌系和 Zn-Al-Cd系，这种阳极的性能见 下表。
（1）阳极电位。牺牲阳极要有足够负的电位，不仅要有足够负 的开路电位，而且要有足够负的工作电位，并能与被保护金属之 间产生较大的驱动电压，另外要求阳极本身极化小，电位稳定。
（2）电流效率。牺牲阳极的电流效率是指实际电容量与理论电
容量的百分比，用%表示。工程要求牺牲阳极具有较高的电流效 率和较小的自腐蚀速度。
牺牲阳极保护法就是选择电位较低的金属材料，在电解液中与
被保护的金属相连，依靠其自身腐蚀所产生的电流来保护其他金属 的方法。这种为了保护其他金属而自身被腐蚀损耗的金属或合金，
就被称之为牺牲阳极。常用的有铝及其合金、锌及其合金、镁及其
合金等阳极。
铝及其合金
锌及其合金
镁及其合金
5.1.3 牺牲阳极性能要求
（一） 锌合金阳极
性 能 纯锌，锌合金 7.14 -1.03 0.20 0.82 95 0.78 11.8 65 0.53
相对密度 开路电位/V（vs. SCE） 对铁的驱动电压/V 理论发生电量/ A· h· g-1 海水中 3mA· cm-2 电流效率/% 发生电量/A· h· g-1 消耗量/kg· A-1· a-1 土壤中 0.03mA· cm-2 电流效率/% 发生电量/A· h· g-1
比－ 1.0V更低时，阳极上可能析氢，使阳极表面上的涂层鼓泡损
坏，并可能产生氢脆，同时保护电流密度增大造成浪费，因而还 要确定最大保护电位即析氢电位。
因而保护电位值是设计和监控阴极保护的一个重要指标。
4、阴极保护主要参数
电极保护时使金属的腐蚀速度降到允许程度所需要的电流
密度值，称为 最小保护电流密度 。最小保护电流密度是与
3、基本原理
用电位—pH图来对阴极保护的原理进行说明
下图是金属铁的电位-pH 图。从图可看出，当溶液的 pH 等 于 7 时，铁的腐蚀电位等于-0.50~-0.60V（vsCu/CuSO4）,处于 活化腐蚀状态。若使其电位下降到-0.94V（vs Cu/CuSO4）以下，
则铁从腐蚀区进入免蚀区（见图中黑点及箭头方向）。为了实
现这个目的，对金属铁施加阴极电流使其极化，电位必然向负 的方向变动，这就是阴极保护。
4、阴极保护主要参数

保护电位是指阴极保护时使金属停止腐蚀所需的电位值。
为了使腐蚀完全停止，必须使被保护的金属电位极化到活泼的阳 极“平衡”电位。 保护电位的值有一定范围，例如铁在海水中的保护电位在－ 0.80～－ 0.90V（ vs． Ag／ AgCl）之间，当电位比－ 0.80V更高时， 铁不能得到完全的保护，所以该值又称为最小保护电位。当电位
化 学 成 分/%
合金种类
Al
In
Cd
Sn
Mg
Si
Fe
Cu
Al
Al-Zn-In-Cd
2.5～4.5
0.018～0.050
0.050 ～ 0.020
≤0.8
≤0.1 6
V0.02
余量
Al-Zn-In-Sn
2.2～5.2
0.020～0.045
0.018～ 0.035
≤0.8
≤0.1 ≤0.02 6
余量
Al-Zn-Ir-Si

以上说明 , 采取有效措施避免或减缓各类腐蚀
具有重大意义。
2、阴极保护的起源

十九世纪二十年代初 ,汉雷弗·戴维爵士从英国海军部
接受一项保护舰船铜包层的任务。在实验室里,他进行了大 量的实验后发现可以用锌或铁对铜进行阴极保护。他首次 对舰的表面铜包层进行阴级保护,并取得了良好了效果。这 个时期,由于缺乏科学的、系统的金属防腐蚀理论基础 ,人
工作电位/ V（vs.SCE） -1.00～-1.05
实际发生电量/ A·h·g-1 ≥0.78
溶解状况 腐蚀产物容易脱落，表 面溶解均匀
性能
≥95
5.2
外加电流保护法
外加电流阴极保护系统是将外设直流电源的负极接被保
护金属结构，正极接安装在金属结构防腐一侧的外部并与其绝缘的
辅助阳极。电路接通后，电流从辅助阳极经海水至金属结构形成回 路，金属结构阴极极化得到保护。其特点为： （1）可随外界条件（如海区、流速、温度等）引起的变化自动调节 电流，使被保护部分的电位控制在预置最佳保护电位范围内。 （ 2 ）保护周期长，采用不溶性高效辅助阳极，使用寿命可达 10 ～ 20a。 （3）辅助阳极排流量大，作用半径大，可以保护结构复杂、面积较
负荷较重，保护寿命短。
来自百度文库 （二） 铝合金阳极
铝合金阳极的特点是：理论发电量大，密度小，可以设计成长 寿命阳极，重量轻，制造工艺简便，材料来源充足，电化学性能优 良，有自动调节电流和电位的作用，被广泛应用于海上采油设备、
海底管线、船舶、海上构筑物、滨海电厂的海水系统。铝阳极的电
流效率一般比锌阳极低，活化起动性能和溶解性能比锌阳极差，而 且不适于高电阻率介质。
10
20
5、阴极保护的分类
所谓阴极保护就是向被保护金属结构通以一定的阴极极化电流， 使被保护的金属结构电位降至稳定区而得到保护。根据所提供电流
的方式不同，可分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。
牺牲阳极 保护法
外加电流 保护法
阴极 保护
5.1 牺牲阳极保护法
牺牲阳极法是一种较古老的保护方法。早在 1824 年英国的
中国一些码头用钢所需的保护电流密度
海水中保护电流密度/mA·m-2 码 头 名 称 裸 上海石化陈山原油码头 北仑港 100 钢 有涂层 30 20 裸 10 15 钢 土壤中保护电流密度/mA·m-2
上海石化总厂码头
宝钢原牌码头 80（海拔水）
40
55（海拔水）
10
10
连云港杂货码头 三亚港码头 黄尚原油码头 107 120
（一） 锌合金阳极
由于锌阳极本身含铁量高，会造成阳极表面溶解状态不好，使 得电流效率降低。 20世纪 60年代后，我国研制出三元锌合金阳极， 并制定出国家标准GB4950-85。
由于三元锌阳极的电化学性能优越，具有性能稳定、电流效率
高、溶解性能好、有自动调节阳极电流的能力，因而被广泛用于船
舶、海底管线、油舱、海水冷凝器及其它海上构筑物。其缺点是对 杂质（铜和铁）较敏感，有效电量小，实际消耗率大，使被保护体
阴极保护
1、腐蚀简介

腐蚀是金属和周围环境发生化学或电化学反应而导致的一
种破坏性侵蚀,金属发生腐蚀是一种自然的趋势。腐蚀给金属材 料造成的直接和间接损失是巨大的。据美国国家标准局 (NBS)
调查,1975年美国因腐蚀造成的直接损失高达700亿美元,约占国
民经济总产值(GNP)的4.2%。腐蚀还给设备造成灾难性的破断 事故。腐蚀造成工程设施中物质的跑、冒、滴、漏等也会引起 环境污染,影响人类的生态环境。
最小保护电位相对应的，要使金属达到最小保护电位，其电流 密度不能小于该值，否则，金属就达不到满意的保护。如果所 采用的电流密度远远超过该值，则有可能发生“过保护”，出 现电能损耗过大、保护作用降低等现象。
最小保护电流密度作为阴极保护的主要参数之一，与被保
护的金属种类、腐蚀介质的性质、保护系统中电路的总电阻、 金属表面有否涂覆层及涂覆层的种类、外界环境条件等因素有 关，必须根据经验和实际情况才能判断得当。
3、基本原理
当外加的电流继续增加时，系统的电位会继续往负的方向
移动，当电位达到阳极的平衡电位时，则阳极腐蚀电流等于零， 即得到了完全保护，这时阴极电流Ip（相当于R段）全部是外加 的电流，这一外加电流称为最小保护电流，所对应的电位称为 最小保护电位。一般在海水中金属从稳定电位往负的方向极化
200～300mV，就可以得到完全保护。
们对阴极保护系统的设计仅仅是单凭以往设计的失败教训
和成功的经验,以及由简单试验得到的数据来进行的。尽管 这样,这仍不失其作为阴极保护系统设计方法开端的意义。
3、基本原理
阴极保护是对被保护金属提供一定量的电子流进行阴极
极化，使金属的电位发生负移，使之处于热力学稳定区，从而减
轻或防止金属腐蚀的电化学方法。
腐蚀，而锌板却受到了腐蚀。 由于锌板的接入，腐蚀电池中的铁
板和铜板都变成了阴极而得到保护，所以称这种保护为阴极保护。
3、基本原理
下面用极化曲线来说明阴极保护的原理
为了说明问题，把阴、阳极 化曲线按照强极化处理简化成 直线，如图所示。SQR为阴极极 化曲线， PS 为阳极极化曲线， 两者相交于 S 点，对应的电流