阴极保护原理

阴极保护

阴极保护技术简述

1．腐蚀简介

1）防腐蚀的重要性1972年，美国NACE协会估计每年损失是100亿美元，1976年BMR研究所调查每年损失接近700亿美元。美国国会非常震惊，对此要求贸易部进行证实，1982年发表的数据是每年损失126亿美元。考虑到国家高速公路、水、废水、废气、地下储罐、因腐蚀造成的污染，每年的损失是3000亿美元，占GDP的5％。1998年，我国工程院历时3年对全国的腐蚀进行调查，调查结果表明我国腐蚀造成的损失达5000多亿元。

2）金属为什么腐蚀？金属是从矿石中提取出来的，在提炼过程种必须要给它一定的能量，使其处于高的能量状态。材料基本规律总是趋向于最低的能量状态，因此金属都是热力学不稳定的，具有和周围环境（如氧和水）发生反应的趋势，以达到较低的、更稳定的能量状态，如生成氧化物。以铁为例：阳极：Fe-2e→Fe2+ 阴极：O2＋4e＋2H2O→4OH-

Fe2++2OH-→Fe(OH)2 Fe(OH)2+1/2O2+H2O→2Fe(OH)3↓

3）如何评价金属的腐蚀倾向？对于所有的金属的腐蚀倾向理论上采用电位的概念进行比较。电位负的金属，活性较强，容易发生腐蚀。电位正的金属活性相对较弱，腐蚀倾向性小。

4）腐蚀控制措施? 多年的实践证明，最为经济有效的腐蚀控制措施主要是覆盖层(涂层)加阴极保护。与国外相比，我国75％的防蚀费用用在涂装上，而电化学保护使用的相对较低。

5）施加涂层后，为什么还会腐蚀？涂层的作用主要是物理阻隔作用，将金属基体与外界环境分离，从而避免金属与周围环境的作用。但是有两种原因导致金属腐蚀。一是涂层本身存在缺陷，有针孔的存在；二是在施工、和运行过程中不可避免涂层会破坏，使金属暴露于腐蚀环境。这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速。

2．阴极保护发展简史阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。目前阴极保护技术已经发展成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。1834年——法拉第→阴极保护原理奠定基础1890年——爱迪生→提出强制电流保护船舶1902年——柯恩→ 实现了爱迪生的设想1905年——美国用于锅炉保护1906年——德国建立第一个阴极保护厂1913年——命名为电化学保护1924年——地下管网阴极保护

3．阴极保护技术简介阴极保护技术有两种：牺牲阳极阴极保护和强制电流（外加电流）阴极保护。

1）牺牲阳极阴极保护技术

牺牲阳极阴极保护技术是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属。优点：A: 一次投资费用偏低，且在运行过程中基本上不需要支付维护费用B: 保护电流的利用率较高，不会产生过保护C: 对邻近的地下金属设施无干扰影响，适用于厂区和无电源的长输管道，以及小规模的分散管道保护D: 具有接地和保护兼顾的作用E: 施工技术简单，平时不需要特殊专业维护管理缺点：A: 驱动电位低，保护电流调节范围窄，保护范围小B: 使用范围受土壤电阻率的限制，即土壤电阻率大于50Ω•m时，一般不宜选用牺牲阳极保护法C: 在存在强烈杂散电流干扰区，尤其受交流干扰时，阳极性能有可能发生逆转C: 有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制，需要定期更换

2）强制电流阴极保护技术

强制电流阴极保护技术是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，进而使被保护金属变成阴极，实施保护。优点：A: 驱动电压高，能够灵活地在较宽的范围内控制阴极保护电流输出量，适用于保护范围较大的场合B: 在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用C: 选用不溶性或微溶性辅助阳极时，可进行长期的阴极保护D: 每个辅助阳极床的保护范围大，当管道防腐层质量良好时，一个阴极保护站的保护范围可达数十公里E: 对裸露或防腐层质量较差的管道也能达到完全的阴极保护缺点：A: 一次性投资费用偏高，而且运行过程中需要支付电费B: 阴极保护系统运行过程中，需要严格的专业维护管理C: 离不开外部电源，需常年外供电D：对邻近的地下金属构筑物可能会产生干扰作用

4．阴极保护效果的判据

1）普通钢阴极保护准则：◆施加阴极保护时被保护结构物的电位负移至少达到-850mV或更负(相对饱和硫酸铜参比电极CSE)。◆相对于饱和硫酸铜参比电极的负极化电位至少为850mV。◆在构筑物表面与接触电解质的稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV。◆存在硫酸盐还原菌的环境，被保护结构物的电位负移至950mV(CSE)或更负。2）铝合金阴极保护准则：◆构筑物与电解质中稳定参比电极之间的阴极极化值最小为

100mV，准则适用于极化建立或衰减过程。◆极化电位不应负于-1200mV （CSE）。3）铜合金阴极保护准则：◆构筑物与电解质中稳定参比电极的阴极极化值最小为100mV。极化建立或衰减过程均可以被应用。4）异种金属阴极保护准则：◆所有金属表面与电解质中稳定参比电极之间的负电压等于活性最强的阳极区金属的保护电位。5）高强钢阴极保护准则：◆700MPa 以上的钢腐蚀速率降低至0.0001mm/a的保护电位为-760～

-790mV(Ag/AgCl)。◆在存在硫酸盐还原菌的环境下，钢屈服强度大于

700MPa，保护电位应在800-950mV(Ag/AgCl)的范围内。◆屈服强度大于800MPa的钢，其保护电位应不低于-800mV(Ag/AgCl)。

5．阴极保护技术问答

1）什么是强制电流阴极保护系统？强制电流阴极保护系统又称为外加电流系统，是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，使被保护金属变成阴极实施保护。

2）什么是牺牲阳极阴极保护系统？牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。

3）强制电流阴极保护系统的组成有什么？强制电流阴极保护系统主要由电源、控制柜、辅助阳极、焦炭（碳素）填料、电缆、控制参比电极、电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片、电绝缘装置、电绝缘保护装置。

4）电源的作用是什么？电源的作用是向阴极保护系统不间断提供电流。电源主要有恒流、恒压整流器、恒电位仪。

5）电源的类型主要有哪几种？从整流形式上主要有可控硅、磁饱和、数控高频开关。可控硅和磁饱和恒电位仪体积较大、纹波系数较大、控制精度较差，效率较低(低于70％)不易实现数字化。磁饱和恒电位仪除了上述不足外，额定功率20％以下的输出无法控制。数控高频开关恒电位仪体积较小、纹波系数小、控制精度高、效率较高（90％以上）。

6）辅助阳极的作用是什么？辅助阳极的作用是通过其本身的溶解，与介质(如土壤、水)、电源、管道形成电回路。

7）辅助阳极的种类有多少? 辅助阳极根据介质来分，土壤中有废钢、硅铁、石墨、混合氧化物阳极、柔性阳极。水介质中有混合氧化物阳极、硅铁阳极、铅阳极等。

8）控制参比电极的有那些？控制参比电极主要有长寿命饱和硫酸铜参比电极、高纯锌参比电极、银/氯化银参比电极、二氧化钼参比电极。土壤中可使用饱和硫酸铜参比电极和高纯锌参比电极，水介质中使用高纯锌参比电极和银/氯化银参比电极。二氧化钼参比电极主要用于混凝土中。饱和硫酸参比电极的寿命一般小于10年。其它的参比电极可以根据寿命来设计。

9）为什么需要采用电绝缘？在阴极保护技术中，要求被保护结构需要电绝缘，主要是由于如果不绝缘，保护电流会流失到未被保护的金属构筑物上，设计的电流需求量可能不足，保护效果不理想，另外，可能会产生杂散电流的干扰。

10）测试桩的作用是什么？测试桩的作用主要是用于检测阴极保护效果和运行参数。根据作用不同有电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片测试桩桩。

11）牺牲阳极阴极保护系统的组成有什么？土壤中，牺牲阳极阴极保护系统主要有牺牲阳极、填报料、布袋、贴片、电缆、测试桩组成。水环境中牺牲阳极直接焊接到被保护结构上。

12）牺牲阳极主要有那些？牺牲阳极主要有镁合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极、锌合金牺牲阳极。镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中。铝合金和锌合金主要用于水环境介质中。锌合金也可用于土壤电阻率小于5Ω•m的环