参比电极在阴极保护系统中的作用

参比电极在阴极保护系统中的作用
宫保喜
（安徽省淮南平圩发电有限责任公司）
摘要
由于我公司阴极保护系统引进国外技术，安装，随着十几年运行，阴极保护控制装置大部分损坏，原控制装置硒堆整流技术已陈旧，大部分已损坏，备品无法购买到，系统处于瘫痪状态，结合阴极保护系统改造机会，引进了长效参比电极，实现阴极保护自动控制，减轻了维护人员日常维护工作量
关键词：腐蚀 牺牲阳极 强制电流 保护电位 参比电极 自动检测
随着工业化生产的逐步推进，使钢铁材料的消耗大幅度增加，几乎所有大型建筑和设备都离不开钢铁材料。

令人不安的是我们花费大量劳动，消耗相当能量而获得的金属材料，除某些金属外，多数金属材料在自然条件（大气、天然水体、土壤）或人为条件（酸、碱、盐及其它介质）下，每时每刻都在发生腐蚀----一种自发进行的所谓的消耗。

其根本原因是因为这些金属处于热力学不稳定状态。

一旦有可能，它们就要恢复到原来在地壳中所处的相对稳定状态，生成金属氧化物、硫化物、碳酸盐等，或转变为可溶性离子。

这一过程可以看作是冶金过程的逆过程。

一．金属防腐保护的机理
在生产的过程，就是于腐蚀作斗争的过程。

通过理论分析和工业试验，认为腐蚀是一种电化学反应。

在反应过程中，金属本身就是反应物，被氧化至较高价态，而存在于溶液中的其它反应物，被还原至较低的价位，这就是腐蚀的电化学机理。

当然，这个过程相当的缓慢，正因为如此，许多金属才能用作结构材料。

前苏联学者托马晓夫提出一个三电极模型来解释阴极保护的机理。

把腐蚀体系看作是一个短路的二元电池（电极K-电极A），在其上连接上第3个电极（Zn），由于第三电极的接入，使得原来短路的二元电池发生了变化，新的电极Zn替代了A，向K提供电子使A不再腐蚀。

见图一
K
A Zn
图一托马晓夫三电极模型
a –腐蚀着的金属（K-A）和阳极（Zn）的接触；
b-用来说明保护效应现象的等效三电阻模型；
k-腐蚀电池的阴极；A-腐蚀电池阳极（金属母体）
Zn-第三电极
另从金属的电位—PH图来看，当土壤的PH值为7时，金属处于腐蚀活化状态，使其电位上升（阳极保护）或下降（阴极保护），都可实现保护的目的，这种使其电位上升或下降来实现的保护、防止或减轻金属腐蚀的技术，就是电化学保护技术。

见下图
二．阴极保护技术概况
在工业防腐中，当金属达到平衡电位后，再施加阴极电流，金属的电极电位从原平衡电位向负偏移，使金属进入了免腐蚀区，实现了保护，何为保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止时所需要的电位值。

在工程中使用最多的是阴极保护技术，它是指强行降低被保护金属的电位，使之低于周围介质的电位，当这两个电位差达到一定的数值时，金属腐蚀停止（或可忽略），这个阈值为此金属在此介质中的保护电位。

常规使用的阴极保护方法有牺牲阳极法和强制电流法两种。

1．牺牲阳极法是由一种比被保护金属电位更负的金属或合金与被保护的金属进行电连接，在电解液中，牺牲阳极因较活泼而优先腐蚀，释放出电流供被保护金属阴极极化。

常见的牺牲阳极品种有镁基、锌基和铝基三类
优点：A.不需要外部电源
B．对邻近构筑物无干扰或很小
C．投产调试后可不需管理
D．工程越小越经济
E．保护电流分布均匀、效率高
缺点：A.高电阻率环境不宜使用
B．保护电流几乎不可调
C．覆盖层质量必须好
D．投产调试工作复杂
E．消耗有色金属
2．强制电流法是由外部的直流电源直接向被保护金属构筑物通以阴极电流，使之阴极极化，实现了阴极保护的目的。

强制电流阴极保护由3部分组成，它由辅助阳极、参比电极、直流电源和相关的连接电缆组成。

辅助阳极的功能是把保护电流送入电解质，流到保护体上，阳极工作时处于电解状态下。

优点：A. 输出电流连续可调
B．保护范围大
C．不受环境电阻率限制
D．工程越大越经济
E．保护装置寿命长
缺点：A。

需要外部电源
B．对邻近金属构筑物干扰大
C．维护管理工作量大
3．综合比较这两种阴极保护方法，强制电流方法调节性能较好，尤其是参比电极的引入，使得阴极保护的保护电位的自动检测和自动控制成为可能。

三．参比电极在阴极保护工程测量中的作用
在阴极保护参数的测量中，保护电位的测量非常重要，它衡量阴极保护系统所起到作用的大小。

在强制电流系统中，参比电极的使用使保护电位的测量成为可能。

1．参比电极简介
参比电极的种类很多，常用的有甘汞、银/氯化银、铜/硫酸铜电极，工程中固定设置的还有锌参比电极和长效铜/硫酸铜参比电极。

地埋型长效铜/硫酸铜属于在土壤中使用的固定式参比电极，它是由铜和饱和硫酸铜溶液组成，电极反应方程式为：Cu=Cu2+2e长效铜/硫酸铜参比电极在长期使用中电位稳定，重现性好，不易极化，寿命长。

2．保护电位的测量
利用参比电极测量保护电位，主要有以下几种方法：
A．地表参比测量法
此法是埋地金属构筑物的常规测量方法，测试要点是将参比电极放在地下金属构筑物的顶
部地面上，并确保参比电极和土壤电接触良好。

用从金属构筑物上引出地面的测试导线和
参比电极引线同时接入高阻电压表，直接测取读数。

B．近参比测量法
为了更精确的测量被保护体的电位，尽可能的减少土壤电阻压降成分，可将参比电极尽量
靠近被测物体。

此法的测量要点是把参比电极（通常是长效硫酸铜电极）尽量靠近被测构
筑物的表面，如果被测表面带有良好的覆盖层，参比电极的对应处应是覆盖层的露铁点，C．滑动参比测量法
此法主要用于大型儲罐底板外壁阴极保护电位分布的测量。

3．电位测量的意义
A．未加阴极保护的被保护体与地之间的电位是衡量土壤腐蚀性的一个参数；
B．施加阴极保护的被保护体与地之间的电位是判断阴极保护程度的一个重要参数；
C．当有干扰时，被保护体与地之间的电位变化是判断干扰程度的重要指标；
四．我厂阴极保护系统现状及改进措施
平圩电厂600MW机组工程，引进国外先进的阴极保护系统，其规模之大，种类之多，在全国电力系统中属第一位，共使用了以下阴极保护：
A．区深井阳极的外加电流型；
B．河底取水口内表面的镁合金牺牲阳极型；
C．水泵房滤网的锌合金牺牲阳极型；
D．取水口外表面及自流引水管分布阳极的外加电流型；
E．凝汽器水室分布阳极的外加电流型；
F．整体旋入式的牺牲阳极系统；
我厂现有厂区深井阳极强制电流,阴极保护装置23套，由于种种原因,目前只剩下19套阴极保护装置, 阴极保护装置直流电源采用硒整流元件，经过十几年的使用，大部分已处于损坏状态。

原阴极保护装置仅具备手动控制，人们仅靠便携式的铜/硫酸铜参比电极来测量被保护体的电位是否在-850毫伏， 来调整阴极保护控制装置输出电压，根据外国专家测量和调试经验，定为阴极保护控制装置输出电压大于或等于36V，测量各个被保护物电位基本上达到-850毫伏与-2000毫伏之间,基本上满足系统要求,随着十几年运行,阴极保护也暴露出缺陷,阴极保护控制柜硒堆整流技术已远远落后，硒堆损坏较多，备品无法购买到，阴极保护系统大部分处于瘫痪状态，使地下接地网系统、循地下管道失去保护，最近几年，地下管道漏点增多，地下接地网系统腐蚀比较严重，通过测量阳极井基本完好石墨电极和阳极电缆引线完好。

测量整个阴极保护装置已远远不能满足生产的需要。

根据我厂的实际情况，只对阴极保护控制柜进行改造，其它部分保持不变，增加自动控制回路，具体阴极保护系统改造如下：
1．把原阴极保护控制柜三相硒堆整流改为三相可控桥式整流
2．增加一套自动装置，自动测量被保护电位，并反馈到阴极保护系统，即在原有阴极保护系统基础上增加一套自动回路，将采集到电位信号送进比较放大器，通过整理放大、调整控制回路的脉冲信号角度，调整阴极保护输出参数，达到保护电位恒定的目的。

3．在每一个阴极保护系统的周围，最大程度靠近地网处，埋入二到四个参比电极，给阴极保护系统提供一个反馈信号，自动调节阴极保护控制
柜直流输出电压、电流，对负载变化进行实时跟踪，确保阴极保护电位小于等于-850毫伏，这种调节控制方式可以保证阴极保护电位稳定的在。

阴极保护控制柜原理图
以此种方案制作两台阴极保护控制柜每台接入两只参比电极，每只参比电极距控制柜连线距离在一百米左右，在控制柜侧均可测出参比电极信号。

#1阴极保护控制柜（靠近500KV升压站门）接入控制柜的#1、#2测量通道，数据如表：
输出电压 #1测量通道 #3测量通道
DC0V 580mV 560mV
DC30V 700mV 680mV
交流干扰 强烈干扰 严重干扰
#2阴极保护控制柜（靠近500KV升压站西墙）接入控制柜的#2、#4测量通道，数据如表：
输出电压 #2测量通道 #4测量通道
DC0V 530mV 460mV
DC30V 630mV 550mV
交流干扰 轻微干扰 轻微干扰
检测结论：
1）长效型铜/硫酸铜参比电极在阴极保护系统中使用是可行的，除在极强的干扰环境中外，一般受外界干扰较微弱，不影响测量的准确性。

2）一百米左右的屏蔽参比电极引线对参比信号有一定的衰减，修正值有待确定。

五．增加参比电极的恒电位控制柜在保护现场使用的意义
参比电极的引入，使我厂阴极保护水平迈上了一个新的台阶，实现了质的飞跃。

1．过去的硒整流阴极保护直流电源，输出电压以手工调节方式，输出电压的高低以设备安装时指定的电压值为准。

十几年的地质变化，使土壤的电阻率也发生了很大变化，整定好的保护值发生较大偏移，阴极保护系统已部分失去功能，甚至当电压偏差太大时，还会对地网发相反作用，加速腐蚀的速度。

以前使用便携式铜/硫酸铜参比电极，对地网进行保护电位的测量，也仅能定性的进行电位调整。

长效型铜/硫酸铜参比电极的引入，可以随时测量保护电位，使用直流电源上的自动输出功能，阴极保护装置可随时调节输出电压的大小，保证了保护电位随时小于850毫伏。

2．以前定期测量保护电位，使用便携式铜/硫酸铜参比电极，操作繁琐，对操作者的仪器使用要求较高，环境影响比较大。

长效型铜/硫酸铜参比电极可以克服这些缺点，方便了定期测量、记录保护电位,判断地下被保护物腐蚀状况，提供可靠依据。