第一部分 阴极保护技术简介

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第一部分
阴极保护技术简介
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主 要 内 容
1. 发展简史 2. 基本原理 3. 保护参数 4. 实施方法 5. 特点与应用范围 6. 应用实例 7. 最新研究热点与发展趋势
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3.4 保护效果
保护程度——实施阴极保护使金属腐蚀速度降% (1 ) 100% P icorr icorr
技术指标
保护效率——施加的外加阴极保护电流中用于降低金属腐蚀的部分在总 电流中所占的比重。
icorr ia P Z 100% ip i p icorr
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有关部门制定了一系列标准和规范。
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2 2、基本原理 、基本原理
2.1 电位—PH图
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2.2 三个基本概念
电化学保护： 通过外加电流使金属的电位发生改变，从而防止或 减轻金属腐蚀的防护方法。 阳极保护： 通过外加电流使金属的电位正移，从而防止或减轻 金属腐蚀的防护方法。 阴极保护： 通过外加电流使金属的电位负移，从而防止或减轻 金属腐蚀的防护方法。
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1.2 牺牲阳极保护原理的科学基础
(1) 法拉第（Faraday）——戴维的助手（学生），著名科学家 继续研究铁在海水中的腐蚀，发现：铁在水面附近比在水底腐蚀更快。 1833年提出著名的“法拉第电解定律”。 1834年发现降低腐蚀与电流的定量关系，并首次明确定义了“电解质”、 电极、阳极、阴极、阳离子、阴离子等概念，从而奠定了电化学的科学基 础，阐明了阴极保护的原理。 (2) 其他科学家 1906年，德国的哈博（F. Haber）在“Electrochemistry”杂志上，阐述了 著名的测量电流密度、土壤密度、土壤电阻率和管道—土壤电位的电路。 （使用锌—硫酸锌参比电极测量电位） 1908年，麦克兰姆（Mc.Collum）首次采用“铜—硫酸铜参比电极”。 (3) 正式命名： 1913年，在日内瓦召开的一次金属学会大会上，将牺牲阳极法正式命 名为“电化学保护法”。
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N
过保护
保护电流一般也有一个范围，当保护电流大于某一数 值以后，会由于大量析氢而使金属表面涂层破坏等原因造 成金属腐蚀速度加快。
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1.3 强制电流法的发展
(1) 研究始于1890年，美国著名发明家爱迪生（Edison）最早 试验在船上采用外加电流实施阴极保护，但由于当时没有合 适的电源和阳极材料而未成功。 (2) 1902年，科恩（K. Cohen）采用直流电机首次实现了强制 电流阴极保护的实际应用。 (3) 1906年，(德国）盖波特（H. Geppert）建立了第一个管道 强制电流阴极保护系统，并于1908年获第一个专利。 (4) 1905年，（美国）卡姆博兰德（E. Cumberland）对蒸汽锅 炉采用强制电流阴极保护，并于1911年获专利。 (5) 1924年，（丹麦）加尔代格尔（A. Guldager）采用铝作为 强制电流法德辅助阳极材料，进行了自来水厂的地下水管的 内保护。
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4.1 牺牲阳极阴极保护法
原理:
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牺牲阳极基本要求:
1) 要有足够的负电位，且很稳定； 2) 工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落； 3) 阳极必须有高的电流效率，即实际电容量与理论电 容量的百分比数要大； 4) 电化学当量高，即单位重量的电容量要大； 5) 腐蚀产物无毒，不污染环境； 6) 材料来源广，加工容易； 7) 价格便宜。
（自学“阴极保护的经济性分析”）
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主要参考资料
《埋地钢质管道阴极保护技术规范》，国家标准 （GB/T 21448-2008） 《阴极保护手册》， [德国]W.V.贝克曼 著，胡士信等 译，人民邮电出版社 《阴极保护工程手册》， 胡士信（主编），化学工业出版社 《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》， SY/T0019-97 《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》， SYJ36-2000 《电化学保护（腐蚀与防护全书）》，火时中，化学工业出版社 《管道防腐蚀手册》，米琪、李庆林，中国建筑工业出版社 《防腐蚀设计与工程》，章葆澄、朱立群、周雅，北京航空航天大学出版社 《金属防腐蚀手册》，中国腐蚀与防护学会（编），上海科学技术出版社 《腐蚀控制手册》，[美国]A.G.奥斯特罗夫 著，王向农等（译校），石油工业出版社 《工业管路腐蚀及其防护》，傅健影、海中兴，机械工业出版社 《金属电化学保护》，李启中（主编），中国电力出版社
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3 3、保护参数 、保护参数
3.1 保护电位
——阴极保护时，使金属腐蚀停止（或可忽略）时 的电位值叫做保护电位（用Ep表示）。 保护电位是借助参比电极测量的，实践中容易 实现，故是阴极保护最基本的参数。
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阴极保护课程设计
林 修 洲
四川理工学院 材料与化学工程系
联系方式： Email：linxiuzhou@ QQ：475233793 MT：13890056301（62105）
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基本要求
（1）根据设计任务单，完成两种方法的阴极保护设计
设计中所需的大多数参数已在参数表中给出，未给出 的参数应根据上课内容自行选定。
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3.3 保护电流密度
——被保护构筑物单位面积上所需的外加保护电流。 （通常所说的保护电流密度实际上是指“最小保护电流密 度”——即：使金属腐蚀降低至最小程度所需电流密度的 最小值。） 影响因数很多： 被保护构筑物表面状况（覆 盖层：有、无、质量等） 环境条件（T、PH、含盐种 类及含量、介质流动、通气程 度、微生物等） 被保护金属种类
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1 1、发展简史 、发展简史
1.1 第一位使用阴极保护方法的人
——英国化学家（海军军官）戴维（Davy）
1823年，受海军部委托，着手研究铜皮包覆的木船在海洋中的防护 问题。 (1) 实验室：发现Cu与Zn或Cu与Fe接触（导线连接）可以使Cu受到保护。 (2) 1924年，实用性试验： 首先，一艘军舰上试验(Cu皮/Fe阳极=80/1，获得良好保护效果） 随后，一艘客轮：船首、船尾各加一块Zn（面积比Cu/Zn=100/1） 效果 更好。 (3) 结论：“当泡在液体中的不同金属用导线连接成回路时，一种金属的 腐蚀受到促进，而另一种金属的腐蚀减慢，这就是铜船通过连接铁或锌 而受到保护的原因。”
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1.4 长输管道的阴极保护
1928年，库恩（L. J. Kuhn）（美国阴极保护之父） 在新奥尔良领导建立了第一条长距离输气管道的外加电流 阴极保护工程（使用了第一台阴极保护整流器）。 并且，通过实验发现-0.85V（相对于饱和CuSO4参比 电极CSE）的电位差足以防止钢质管道在土壤中任何形式 的腐蚀。 随后，对管道实施阴极保护的工作迅速发展，《法国 煤气》杂志曾报道过，至1970年已采用阴极保护技术的管 道已有： 德国：17000km，法国：20000km， 前苏联：60000km，美国：640000km。
电位负偏移——实施阴极保护使金属 电位降低（负移）的大小。
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经济指标
icorr RT icorr RT E 2.303 lg ln nF ia nF ia
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从上表可知，在实践中追求完全保护显然不合适，技术 指标与经济指标之间存在矛盾。而是根据实验选取一个最佳 保护状态，一般把P值选择在能保证阻止金属的溃疡腐蚀，并 允许钢的均匀腐蚀速率在0.1mm/y的范围内。（NACE标准： 选择使ΔE=100mV，此时，P=98%、Z=20%左右）
3.2 保护电位准则
从阴极保护原理分析容易看出，阴极保护的效 果与保护电位值直接相关，保护电位是阴极保护设 计和实施中需要控制的最重要的参数之一。 保护电位一般有一个范围，通常保护电位准则 给出了这一指标。不同国家有不同的阴极保护规范 （标准），虽然内容各不相同，但都对保护电位作 了严格的规定，而且大同小异。
（2）完成设计说明书，设计说明书应至少包括以下内容：
阴极保护的一般性介绍，两种方法的比较等； 两种方法的设计过程与结果（包括方法选择、阳极与电源的选择、 工艺计算、地床设计、辅助设施、施工要求、维护管理等）； 对两种保护方法的设计结果进行比较（从技术上）； 学习与设计体会，参考文献等。
（3）以课堂教学内容为基础，对阴极保护方法，特别是埋 地钢质管道的阴极保护设计进行较系统的学习，学习 成果应在设计说明书中有所体现。 选做内容：设计结果还可从经济上进行比较
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1.6 我国发展
始于1958年，原交通部船舶科学研究所开始对船体阴 极保护进行试验（350t钢壳船，锌合金牺牲阳极）。 主要单位：四川石油勘探设计院（现：中国石油集团 工程设计有限公司西南分公司）、原石油部管道设计院、 原六机部725所，重庆有色金属研究所、福建三明无线电二 厂，南通炭素厂，昆明冶金机械厂、成都科大（现：川大 西区），东北输油管理局、中科院电工所。 最近几年，着力于阴极保护系统优化设计方法的研 究，如：天津大学进行了区域性阴极保护优化设计的研 究，并编制了相应的软件。中科院金属所、大连理工、青 岛海洋大学等也进行了类似研究。