实验二阴极保护

实验二阴极保护及其检测

实验目的：

通过实验，了解阴极保护的基本原理和方法、影响因素；感性的认识牺牲阳极对构筑物的保护电位时空变化特性；同时对阴极保护监测系统的组成，各个组成部件的作用，了解参比电极的原理、维护和便携式电极的构造和制备方法。

试验原理：

阴极保护也就是对被保护金属提供一定量的电子流（或者说电流）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。

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。

牺牲阳极保护法就是选择电位较低的金属材料，在电解液中与保护的金属相连，依靠其自身腐蚀所产生的电流来保护其它金属的方法。这种为了保护其它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。

外加电流阴极保护法是通过外加直流电源来提供所需的保护电流。将被保护的金属作阴极，选用特定材料作为辅助阳极，从而使被保护金属结构受到保护的方法。

表4-1比较了两种阴极保护法的优缺点。

表4-1 电化学阴极保护法的优缺点比较

种类优点缺点

牺牲阳极法不需要外加电流，安装方便，结构简单，安全可靠，电位均匀，平时不用管理，一次性投资小保护周期短，需要定期更换，电位不可调。

外加电流法电位、电流可调，可实现自动控制，保护周期较长，辅助阳极排沉量大而安装数量少一次性投资较大，设备结构较复杂，需要管理维护

阴极保护的主要参数就是保护电位和保护电流，根据不同的被保护材质和环境介质而有所不同，常用的海水中碳钢的保护电位为-0.8V（Vs Ag/AgCl）,保护电流根据被保护体的表面状态，极化特点，极化时间和介质的流动速率等参数相关。

阴极保护系统主要有电位参比电极，电流检测，数据传输和数据采集等4个部分组成。其中的电位参比电极，电流检测探头是获取数据准确性和精确性的根本，数据传输是保障，数据采集是途径。稳定而便捷的测量探头彰显其重要性。本实验采用自制点位探头测定电位，万用表直接测量测定电流。

实验材料：

碳钢片（30*50mm），碳钢管或者铁丝（400mm），铝合金或者纯锌牺牲阳极，导线若干，自制参比电极，万用表，自行设计的实验容器；

HWL-1型恒电位/恒电流仪（山东电讯七厂有限责任公司） 介质：石老人海水浴场天然海水

实验步骤：

阴极保护电位、电流及其时空分布

1. 选取并测量牺牲阳极尺寸并称量其质量。（根据实验要求选择约6.0*10.0*6.0mm 尺寸）

2. 选取50m Ω的标准电阻，用HWL-1型恒电位/恒电流仪和万用表利用欧姆定律标定电阻实际大小。

3. 选取碳钢片（钢丝或者铁丝）和活性合金牺牲阳极按照实验要求（如图所示） 连接好线路，浸入天

然海水中，同时记录接水时间，观察阴极保护对碳钢表面的腐蚀状况的影响； 约50m Ω的标准电阻，其他外露接线端均为测量用接头。

图4-1 连接示意图和连接实物图（上端为各自的数据测量端用于测定不同位置的电位）

实际测量时选用的普通钢锯锯条经除油除锈后使用

4. 间隔3-5min 测定碳钢表面电位及牺牲阳极表面电位。

5. 万用表或者直流电流表mA 计直接测定阳极发出电流；每间隔3min 测定记录一次数据。

6. 待到阳极电位和发出电流基本稳定，再过10min 后，断开阳极与碳钢的连接，记录断开时间，取出牺

牲阳极用自来水冲洗干净，冷风吹干，称量其质量。

7. 继续观察被保护过的碳钢表面变化以及测定碳钢表面电位随时间的变化；直到测定电位接近-700mV ，

观察10min 后记录实验现象。

8. 根据上述数据计算阳极电化学容量及电流效率，并根据上述数据得到牺牲阳极工作电位。 9. 在实验过程中自行设计测定牺牲阳极开路电位。 10. 绘出测定出的各个数据时间、空间变化图，并给予解析。

实验思考题：

1. 如何提高实验测定精度？

0cm 6cm 12cm 18cm

测定用参比电极

铁丝或者钢丝 牺牲阳极

2.实验室实验需要注意的问题有哪些？

3.在实际工程测定时，由于牺牲阳极在水下，距离测定场所较远，使用mA电流计直接测定电流很难实

现准确测定，请同学们设计一个方法来实现这个要求。并确定所选用元件的规格并说明原因。

4.如何计算牺牲阳极的接水电阻？

5.在什么样的情况下才能保证第三个思考题所设计的方案测定准确度不低于95%。

6.阴极保护过程中，被保护体的电位达到基本稳定的影响因素有哪些？他们是怎样影响稳定时间的？

7.为什么选用测定电流的标准电阻需要小于50mΩ?这个电阻的大小对最终测定的电流效率有何影响？

实验二阴极保护实验实验过程和获得的数据及其实验时间分配如下：根据上述实验步骤得到数据如表所示：

牺牲阳极质量m0：32.755g m：32.743g

表4-1 不同位置上保护电位、阳极发出电流、阳极工作电位随时间变化

阴极电位（v）阳极电位（v）电流（mA）时间（min）

0 6cm 12cm 18cm

-0.9138 -0.8919 -0.8764 -0.8700 -0.9155 0.5 3

-0.9171 -0.9030 -0.8903 -0.8871 -0.9189 0.6 6

-0.9533 -0.9472 -0.9285 -0.9242 -0.9610 0.7 9

-0.9878 -0.9772 -0.9608 -0.9571 -0.9903 0.8 12

-1.0149 -1.0018 -0.9883 -0.9839 -1.0166 1.0 15

-1.0167 -1.0068 -0.9946 -0.9910 -1.0198 0.9 18

-1.0228 -1.0103 -0.9997 -0.9951 -1.0255 0.4 21

-1.0282 -1.0175 -1.0070 -1.0031 -1.0327 0.6 24

-1.0371 -1.0222 -1.0123 -1.0095 -1.0394 0.7 27

-1.0355 -1.0274 -1.0183 -1.0155 -1.0396 0.8 30

-1.0365 -1.0276 -1.0214 -1.0175 -1.0410 0.7 33

-1.0371 -1.0290 -1.0220 -1.0190 -1.0411 0.7 36

-1.0370 -1.0279 -1.0264 -1.0222 -1.040 0.7 39

表4-2 阴极保护线路断开后被保护体电位随时间变化

时间/min 5 15 20 25 30 35 40

电位/v -0.8319 -0.7721 -0.7450 -0.7270 -0.7154 -0.7029 -0.7012

表4-3线路断开后牺牲阳极开路电位

时间/min 5 15 20 25 30 35

电位/v -1.0696 -1.0887 -1.0891 -1.0920 -1.0944 -1.0945

小结：电流效率=76.57%，试片处理15min，电阻标定10min，连接装置15min，测量约90min。