腐蚀与防护 第7章 腐蚀控制方法

护电流Ip(A)，求出所需阳极总重量W(kg):
W a I p T R
式中：a 为安全系数，一般取1.1~1.25。
5. 根据保护电流 Ip 和每个牺牲阳极的发生电流量 Io，
计算出理论上所需阳极个数 n 。
n I p / I0
考虑到分散能力，计算个数时需加入修正系数。
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6. 根据分散能力和保护半径决定阳极布置。 7. 复验阳极重量。根据阳极个数和单重计算总重，该
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过保护：由于保护电流密度过大或保护电位太负引 起的腐蚀速度增加。
分散能力与遮蔽作用
电流在被保护表面均匀分布的能力称为分散能力。 分散能力越强，则阴极保护的效果越好。
遮蔽作用是由于电流有选择电阻最小的途径流动 的特性。被保护设备上距离阳极最近的部位电阻最小， 将聚集很高的电流密度，而离阳极较远的部位，往往 不能获得足够的电流密度，致使保护效果不好。 保护度
N
a
S
b
IA 1
IC
IK 1 IK 2
I
7
二、阴极保护电源来源
1.牺牲阳极 如：前面讲过的电偶腐蚀，两种不同金属中电位 负的为阳极，受到腐蚀。这样的金属我们称之为牺牲 阳极。
牺牲阳极上的电位低于被保护金属，它输出的电 流流经介质流向被保护金属结构。这就要求牺牲阳极 必须与被保护金属结构保持电接触。这是一种较简单 的阴极保护方法。
EK0
IA 1 IC IK 1 IK 2
5
I
阴极保护原理的极化图分析
继续增大外加阴极 电流，直到阴极极化使 金属的电位移至阳极的 初始电位EA0，此时金属 上的阳极溶解电流
IA=0 即阳极腐蚀溶解停止。金 属得到保护。
-E
EA0 EA1 EC N a b
S
EK0
IA 1 IC IK 1 IK 2
6
4. 根据分散能力要求设计阳极的个数、分布及阳极结构， 并验算辅助阳极实际的工作电流密度是否在允许值内。
5. 验算阳极重量。 6. 确定直流电源输出电压。 7. 确定控制方式：精确控制时，采用恒电位法或控制电流 法。 8. 选择直流电源类型、规格及个数；设计电联接及绝缘结 23 构。
六、联合保护
1.阴极保护和涂料联合防腐 只有涂料防腐时 虽涂料可将金属与介质机械隔 开，起到保护金属的作用，但由于涂层本身存在微 孔、老化、龟裂、剥离及施工不良使涂层发生针孔、 机械损伤等，大大缩短了涂层使用寿命；另外，裸 露部分金属形成小阳极，涂层部分形成大阴极，使 金属腐蚀加剧。
含硅14.5%的铸铁作为阳极，其消耗速度很低，来 源充足。碳或石墨消耗量很小，也可作为阳极，且容 易成为所需的各种形状和尺寸。 17
金属铂的制品用作外加电流阳极，消耗速度极低， 十分理想，但价格昂贵。通常将它镀在一种较便宜的 材料上使用。 10、阳极回填料
多数情况下，牺牲阳极埋入地下时，其周围都要 用化学回填料。好处是： 使阳极周围有均匀的介质，使阳极均匀消耗，发挥 最大的效率。
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事例二：海边一座混凝土石油装运码头，混凝 土台面支撑在钢管上。钢管表面涂漆并加阴极 保护。电源负极连在钢筋上。阳极是镀铂钛悬 挂在海水中。在石油装卸过程中，码头受到周 期性机械应力，引起混凝土某些物理破坏。使 用12年后发现，平台的混凝土台面出现严重胀 裂，钢筋暴露出来。
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第二节 阳极保护
值应大于（4）的计算值。
8. 若为地下保护，应根据阳极性质和土壤条件确定牺
ห้องสมุดไป่ตู้
牲阳极的回填料。
9. 设计电联接方式和绝缘结构。 10. 选定参比电极和电位测量仪表，设计检测点和测 量接线。
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（二）外加电源法设计
1. 确定保护电流密度、保护电位和保护效果。 2. 计算所需保护电流强度。 3. 选择合适的辅助阳极材料。
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阴极保护造成杂散电流腐蚀的防护方法：
最好的方法是在设计时将附近的管道和设施都纳入
阴极保护系统，一道进行保护。
提高管道相交段的绝缘等级，或涂覆新的绝缘层，
以避免杂散电流流入。涂覆长度一般10m左右。
在多管道地区，最好采用多个阳极站每个站的保护 电流较小，阳极离被保护管道较近，以缩小保护电 流范围。
3
阴极保护原理 e e
A
K
护 屏
A
K
辅 助 阳 极
牺牲阳极保护
外加电流保护
4
阴极保护原理的极化图分析
外加阴极电流后，金 属的腐蚀电位将向负方向 移动，由原来的EC移至 EA1，相应金属的腐蚀电 流就由IC降至IA1，此时外 加的阴极保护电流
-E
EA0 EA1 EC N a b
S
I保 I K1 I A1
温度对阴极保护设计的影响，主要是改变介质的 电阻。土壤和水的电阻通常是随着温度的升高而降低。 热带海水电阻比寒冷地区的同样海水的电阻低得多。
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8.牺牲阳极材料
适合做牺牲阳极的材料有铝、镁、锌。阳极材料 可以浇铸成多种不同重量不同形状的牺牲阳极，以满 足阴极保护设计的需要。 9.外加电流阳极
用于外加电流阴极保护系统的阳极，最好在输出 电流时有一个符合实际的最低的腐蚀率。废钢管、棒 及类似的废钢材料都可以用作外加电流保护系统的阳 极。虽消耗较多，但来源广泛。
2.环境的变化
对于土壤，透气性差的土壤中，金属相对容易极化。
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若在氧容易到达结构表面的土壤中，结构要极化 需较大的电流。
另外，土壤电阻率最低的地方，是最适合于安装 牺牲阳极或外加电流系统的阳极。 在水中，水的运动有显著的作用。若水静止，保 护电流可取较小值。湍流的水，能冲刷结构表面，因 此有极强的机械去极化作用。 3.电的屏蔽
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三、阴极保护的基本参数
最小保护电流密度：使金属腐蚀停止，达到完全保 护时所需的最小电流密度。 最小保护电位：阴极保护下，金属刚好完全停止腐 蚀时的临界电位。
这两个参数可通过实验确定。
最大保护电流密度：达到有效保护或完全保护所用 电流密度的最大值。超过此值，将发生过保护现象。 最大保护电位：达到有效保护或完全保护所用极化 电位的最负值。
V1 V2 Z 100% V1
V1---保护前的腐蚀速度
V2---保护后的腐蚀速度
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需要指出的是：要使腐蚀速率完全降到 零，实际上将要消耗很大的电流，甚至
发生了强烈的析氢腐蚀时，腐蚀率仍将
不到零。因此要想达到最小保护电流密度是不现实
的。所以说“有效保护”比“完全保护”更合适。 实际 上，阴极保护设计与使用合适的话，保护度可达到
阳极保护是金属在电解液中利用外加阳极电流产 生阳极极化而建立钝态的特性来产生保护的方法。
直流电源
-E
辅助阳极 被保护设备
ip
icp
i
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阳极保护原理
依据金属钝化的原理。对于能够在某些电解质 溶液中产生钝化的金属，若通以一定的电流，当电 流密度达到致钝电流密度时，则金属表面开始产生 钝化现象，形成钝化膜，从而阻止腐蚀的进行。阳 极保护是把金属设备与外加直流电源正极相连，另 有一个辅助阴极与外加直流电源负极相连。 一、阳极保护的主要参数
第六章
主要内容
腐蚀控制方法
重点掌握阴极保护和阳极保护
熟悉联合防腐措施 了解衬里、涂料、镀层、缓蚀剂等防腐方法
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目前工程上常用的几种方法： 金属或非金属材料涂层
•金属涂层包括：金属衬里、金属镀层、复合金属板等
•非金属涂层包括：衬里（橡胶、塑料、石墨）、搪瓷、搪 玻璃、涂料等
电化学保护：阴极保护和阳极保护 防腐蚀结构设计 介质处理：添加缓蚀剂
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保护，由于遮蔽作用，只能对管板和管端起良好的保 护作用。采用联合保护后，很好地解决了这一问题。
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腐蚀事例
事例一：某公司选用不锈钢管作地下输油管道。 安装后大约一年准备投入使用，油从一端泵入， 在另一端却未见油出现。检查发现管道上因腐 蚀形成了许多小孔，油全部漏掉了。又发现该 管道附近有一条碳钢管道实施了阴极保护，认 为不锈钢是耐蚀材料，并没有将不锈钢连接到 阴极保护系统。
防止与土壤里的化学物质发生反应，否则会在阳极 表面形成一层高电阻的钝化膜。
防止有效电流排出，对其它金属形成杂散电流。
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例如：
用于镁阳极的回填料
75%的水合石膏
20%膨润土 5%硫酸钠
锌阳极的回填料：50%熟石膏与50%膨润土
11.预留保护参数的监测点
实际操作中，为了便于对保护参数进行测量和监 控，在被保护设备上预留保护参数的监测点。工程上 往往是监控保护电位。 总之，阴极保护比较适宜于腐蚀性不太强的介质， 如：海水、土壤、中性盐溶液。在强腐蚀性介质中， 19 因电能与护屏材料消耗太大，一般不采用。
联合保护时 裸露部分的金属表面，由于获得 集中的保护电流而得到阴极保护，则可以弥补涂层 的缺陷，防止涂层劣化，可大大延长设备的检修周 期。
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例如，某油田的地下输油管道，在单独使用涂料 防腐时，不到三年发生穿孔漏油，造成停产。在采用 涂层与阴极保护联合防腐后，五年多未发现腐蚀穿孔 现象。
2.阴极保护和缓蚀剂联合防腐 采用缓蚀剂防腐 是为了加入少量某些物质，能使 金属腐蚀程度大为降低，甚至停止。但在有些情况下， 单独使用缓蚀剂效果不好，或使用量太大，不经济。 联合防腐 发电厂列管式海水凝汽器黄铜管的腐蚀， 主要是黄铜脱锌引起的穿孔腐蚀破坏。在海水中只加 缓蚀剂FeSO4，防腐效果不好；若单独采用阴极
对间距小，结构复杂，并进行阴极保护的构件， 很容易发生电的屏蔽作用。从远处阴极保护电源来的 电流，很容易被外层构件所吸收，只有少量电流能达 到内层构件，于是外层构件就形成了一种电的屏蔽。 14
此时，阴极的数量和配置应尽量做到与被保护结构的 各部位距离大致相等，使电流的分散均匀。
4.经济因素 使用阴极保护时，应考虑阴极保护在经济上是否 合算。如果阴极保护是解决腐蚀问题的经济办法，那 么选择的阴极保护系统应该是成本最低，其中需要考 虑设计和安装成本、电源成本以及系统维护的成本。 5.保护寿命
I
若使用恒电位法，使 金属从EC阴极极化到EA1, -E 此时对应的电流为I保，金 E 0 A 属腐蚀速度将从IC降到IA1。 EA1 如果极化到的电位相应于 E C 腐蚀原电池阳极过程的开 路电位，腐蚀过程便停止， 溶解电流降为零。此时的 EK0 外加电流将是IK2。 利用外加电流或利用恒电 位法都可使金属发生阴极极 化。
设计时，应该知道被保护结构预期的使用期限。 在实际应用阴极保护的地方，应该使阴极保护系统的 设计寿命与被保护结构的寿命相同。寿命过低，保护 效果不好；过高，则会增加成本，造成浪费。 15
6.杂散电流的影响
在设计阴极保护系统之前，必须了解该地区是否 有杂散电流。它主要来自电气化铁路、采矿机械、电 焊等直流电源。杂散电流使被保护结构产生很快的腐 蚀，通常比其它环境因素引起的腐蚀更加严重。在设 计阴极保护时，应该很好地选择阳极系统的位置，尽 量避开杂散电流。 7.温度
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第一节
阴极保护
阴极保护：依靠外加直流电流或牺牲阳极，使被 保护金属成为阴极，从而减轻或消除金属的腐蚀的方 法。 思路：应用阴极保护之前，大多数产生腐蚀的金 属结构上都存在着阴极区和阳极区。如果能把所有的 阳极区都变成阴极区，于是整个金属结构变成阴极， 这样就能消除腐蚀。
一、阴极保护原理
腐蚀着的金属上既有阳极又有阴极，在外加直流 电源下，其阴极保护原理如图所示。
五、阴极保护设计程序
（一）牺牲阳极设计 1. 根据被保护金属工作条件、表面涂层的有无与好 坏，确定保护电流密度和保护电位以及保护后的腐 蚀率。 2. 根据被保护面积 S 和保护电流密度 ip，确定总保护 电流强度 Ip：
3. 确定牺牲阳极种类和规格型号。
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Ip = ip ·S
4. 根据阳极消耗率R(kg/A· a)，阳极设计寿命T(a)和保
对牺牲阳极材料的要求： • 为了消除金属结构上的腐蚀电池，牺牲阳极材料必须足够
负
8
• 在介质中腐蚀速度低，材料消耗低
• 具有良好的导电性 • 具有较高的电流效率，即消耗于自腐蚀的电能量
要小
• 有较好的机械性能，便于加工、成本低、容易获得
2.外加电流系统 保护电流来自在被保护结构与阳极间连接的某个 外加的直流电源。电源的正极必须与阳极连接，这样 才能对被保护结构输出所需要的阴极电流。如果接错 了，把正极接到被保护金属结构上，金属变成阳极， 不但不被保护，反而加速腐蚀。
80%~99%。
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四、影响阴极保护涉及的因素
对于一个具体的工程，在选择阴极保护系统之前，应考 虑的问题很多。
1.所需总保护电流
进行阴极保护，必须知道所需的总电流。这可用 临时的试验装置来测定电流的需要量。若所需要的保 护电流不大（<1.5~2A），最好选用牺牲阳极保护。 如果所需保护电流较大，采用外加电流保护比较经济。