电化学保护_阴极保护

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。
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
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1.05～-1.09
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
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。
（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。
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。
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
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
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
负荷较重，保护寿命短。
（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。
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
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
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。
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。

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
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
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
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
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
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。
（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
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
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
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
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
（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