外加电流阴极保护用辅助阳极的研究现状及发展趋势[1]

外加电流阴极保护用辅助阳极的研究现状及发展趋势

胡学文　吴丽蓉　许崇武　黄　杰

(武汉水利电力大学化环系　武汉430072)

摘　要　辅助阳极是外加电流阴极保护系统的重要组成部分,本文就辅助阳极的形状及尺寸、辅助阳极材料的耐蚀性能及加工性能、辅助阳极的布置及电场的分布、辅助阳极设计的数据库研究等四个方面对外加电流阴极保护用辅助阳极的研究现状及发展趋势进行了综述。

主题词　腐蚀　阴极保护　辅助阳极　电场　数据库

S ITU A T I ON AND D EV ELO PM EN T T END EN CY O F R ESEA RCH ON ANOD ES

FO R A PPL IED 2CU RR EN T CA THOD I C PRO T ECT I ON

Hu Xuewen W u L irong Xu Chongwu Huang J ie

(Chem ical and environm en tal D epartm en t of W uhan U n iversity of

H ydrau lic &E lectric Engineering ,W uhan 430072)

Abstract A nodes are very i m po rtan t in app lied 2cu rren t cathodic p ro tecti on system 1O verview s are m ade on the

situati on and develpom en t tendency of research on anodes fo r app lied 2cu rren t p ro tecti on in the fou r aspects such as shape and di m en ti on of anode ,the co rro si on resistivity of anode and p rocessing p roperties ,po siti on of anodes and distribu ti on of electric fields ,database of anode design 1

Keywords Co rro si on Cathodic p ro tecti on A nodes E lectric field D atabase

阴极保护是防止金属腐蚀的一项重要的技术措施。这项技术包括牺牲阳极法和外加电流法[1],原理上这两种方法是一致的,即被保护金属表面电子的积聚使得其腐蚀电位降低从而得到了保护[2]。早在1884年,英国的汉弗来戴维(H um p h ry D avy )就提出了阴极保护的原理并将锌牺牲阳极应用于英国海军军舰防止木船身铜包皮在海水中的腐蚀,然而,牺牲阳极的阴极保护方法真正获得广泛的应用乃是本世纪的30年代,外加电流阴极保护技术是在本世纪50年代末才开始的[3]。

外加电流阴极保护系统由稳压直流电源、辅助阳极、参比电极等构成。辅助阳极接电源的正极,被保护的金属接电源的负极。辅助阳极的作用是为电流提供回路,同时产生一阳极电场。

由辅助阳极的作用可以知道,在进行阴极保护时,辅助阳极周围将发生阳极反应,从而导致阳极周围环境的变化,这样对辅助阳极的物理、化学及电化学性能便有一些要求。

1　辅助阳极的性能要求

111　外加电流阴极保护的阳极反应[4]

对于氯离子浓度极低的腐蚀介质中的外加电流阳极,主要的阳极反应是氧的逸出:

2H 2O

O 2+4H ++4e (1)

在氯化物含量较大的区域,被消耗掉阳极处的反应结果是增加氯气的生成量:

2C l -C l 2+2e (2) 然后氯气与水反应生成盐酸和次氯酸,次氯酸

不稳定,在一定程度上与许多酸一样形成氢离子。氯气的逸出降低了阳极表面的pH 值,但是比氧气的逸出对pH 值的影响小。

当用焦炭作外加电流阳极的回填料时,焦炭表面将发生阳极反应:

C +H 2O CO +2H +

+2e

(3)C +2H 2O CO 2+4H ++4e (4) 焦炭颗粒的阳极消耗使阳极周围pH 值降低。

所有主要的阳极反应都将降低阳极周围介质的pH 值。

对O H -离子而言,其标准氧化还原电位为+0140V (SCE ),氯离子为+1136V (SCE )。从热力

学的观点看,如果电极在含有O H -、C l -的电解质中极化时,氧气先产生,然后是氯气。然而,实际上并不总是这样。例如,在石墨上,氧气逸出的过电位比氯气的高得多,当进行阳极极化时,石墨电极将先产生氯气。

地下设施中,通过电解质的物质传输特性是非

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645・第21卷第12期2000年12月

腐蚀与防护

CORRO S I ON &PRO T ECT I ON

V o l 121　N o 112

D ecem ber 2000

常重要的因素。在海水中,氯气将较氧气优先逸出,因为反应物(C l -)能更容易移到电极表面,而且生成物(C l 2)更容易移走。

在地下,反应并不总是依附于水的流动、离子的迁移及扩散。氯离子的耗尽及其迁移受到抑制时将使氧气的逸出反应产生。这种行为已通过直接观察得到证实。事实上,阳极在数天工作后其周围的pH 值可达到110。

对于微溶性及可溶性辅助阳极,其阳极反应还包括阳极本身的电解溶解。112　辅助阳极的性能要求

(1)从辅助阳极的生产、运输及阴极保护辅助阳极系统安装方便要求来看,要求辅助阳极冶炼性能好,并有一定的机械强度;抗震、脆性小;重量轻,便于搬运及施工。

(2)从辅助阳极的工作原理来讲,为了阴极保护系统安全、稳定并长期运行,要求辅助阳极在介质中导电性能优异;消耗率小,耐电解腐蚀性能强;抗酸能力强。

(3)从阴极保护电场分布均匀性要求来看,要求辅助阳极材料便于造型,能根据需要制作成各种形状。

2　辅助阳极的研究现状及发展趋势

阴极保护用辅助阳极的研究现状及发展趋势可以从以下几个方面来阐述:

辅助阳极的形状及尺寸;辅助阳极材料的耐蚀性能及加工性能;辅助阳极的布置及电场的分布;辅助阳极设计数据库的研制。211　辅助阳极的形状及尺寸

根据被保护对象及其所处介质的不同,阴极保

护用的辅助阳极常用多种外形,主要有棒状、网状、带状等。辅助阳极制成不同的形状主要是从电场均匀分布的目的出发的。带状辅助阳极是近些年开发出的一种新型阳极[5],主要用于埋地管道、储罐底部及钢筋混凝土的保护,可以解决传统阴极保护做不到的问题,如干扰问题、高电阻率问题等。

带状辅助阳极是用导电塑料制成,把导电塑料包覆在铜芯上。带状辅助阳极用于地下金属构件的阴极保护时同其它辅助阳极一样需要焦炭粉填包,美国瑞侃公司开发带有焦炭粉填包的带状阳极如图所示。

对于常用的棒状石墨阳极和高硅铸铁阳极,通常生产厂家只对一端进行导线连接。但是由于这两种阳极的机械性能表观为脆性大,在阳极的运输、安

图　新型柔性阳极结构

装过程中难免会出现阳极断裂;若阳极导线的连接

是在一端进行的,则在出现阳极断开的情况下,没有导线连接的一端将丧失其功能,因此建议在阳极的制造时要求生产厂家对阳极的两端均进行导线的连接;同时双接头阳极还可以避免阳极端部效应(end effect ,由于端部电流密度过高而导致阳极材料端部消耗速率过快的现象)的出现。

近年来,关于阳极形状的研究,开始出现了计算机的分析和优化。Coch ran J ,B ass J T [6]就用计算机对密集使用的阳极形状进行了分析和优化。对于棒状阳极,若以棒体电流密度为1,用计算机计算圆形端头(加工)和平头(不加工)处的电流密度分别为20和18,这表明阳极端部的确存在电流密度集中的问题,计算结果与试验结果是一致的[7]。

钢筋混凝土的腐蚀与防护已经引起了人们的注意。用阴极保护技术防止钢筋混凝土的腐蚀已经有了应用。对于钢筋混凝土,要实施阴极保护,使大面积钢筋网上的任何地方都可以均匀地接受足够的自由电子,靠传统的配置于结构表面上间距较大的少数几个辅助阳极是不可能的,因此其关键的技术是辅助阳极的设计与开发。从阳极形状及尺寸来说,钢筋混凝土的阴极保护要求辅助阳极应该具有大的表面 体积比。为了克服混凝土结构的高碱性和高电阻性,斯特拉特福尔等人[8]先后试验了导电覆盖层辅助阳极、开槽式辅助阳极及分布网格式阳极。对于钢筋混凝土阴极保护用辅助阳极,到目前为止已经开发研究成功了几种[9]:喷锌层阳极;导电涂层阳极;导电塑料电线网阳极;活化钛板网阳极等。在此不一一介绍。

对于辅助阳极的形状及尺寸研究的趋势,作者认为应该将精力放在形状与尺寸的计算机分析与优化上,分析与优化的内容则是电场的分布与机械性能的验算。

212　辅助阳极材料的耐蚀性能及加工性能

研制高耐蚀性能及良好的加工性能的辅助阳极一直是辅助阳极研究的重点。改善辅助阳极耐蚀性能可以用材料的表面处理及材质中添加耐蚀元素这

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