論述陰極保護(hù)法在腐蝕與防護(hù)中的應(yīng)用

1、論述陰極保護(hù)法在腐蝕與防護(hù)中的應(yīng)用過(guò)控131 田聰要：工業(yè)材料的腐蝕給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活造成的嚴(yán)重危害已越來(lái)越為人們所認(rèn)識(shí)重視，金屬在水溶液中的腐蝕是一種電化學(xué)反應(yīng)。陰極保護(hù)法可以有效地控制金屬腐蝕的速度，這里簡(jiǎn)單的介紹陰極保護(hù)法的原理及陰極保護(hù)法在腐蝕與防護(hù)中的一些實(shí)際應(yīng)用。Abstract:Corrosion of industrial materials to the national economy and social life has caused serious harm to people's attention, metal in aqueo

2、us solution is an electrochemical reaction. Cathodic protection method can effectively control the speed of metal corrosion, and the principle of cathodic protection method and the practical application of cathodic protection method in corrosion and protection are briefly introduced.關(guān)鍵詞：金屬腐蝕；電化學(xué)反應(yīng)；陰

3、極保保法 Keyword:smetal corrosion ; electrochemical reaction ; Cathodic protection method1陰極保護(hù)是一種用于防止金屬在電介質(zhì)（海水、淡水及土壤等介質(zhì)）中腐蝕的電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，該技術(shù)的基本原理是對(duì)被保護(hù)的金屬表面施加一定的直流電流，使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一電位值時(shí)，腐蝕的陽(yáng)極溶解過(guò)程就會(huì)得到有效抑制。根據(jù)提供陰極電流的方式不同，陰極保護(hù)又分為犧牲陽(yáng)極法和外加電流法兩種，前者是將一種電位更負(fù)的金屬（如鎂、鋁、鋅等）與被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物電性連接，通過(guò)電負(fù)性金屬或合金的不斷溶解消耗，向被保護(hù)物提供保護(hù)電流，

4、使金屬結(jié)構(gòu)物獲得保護(hù)。后者是將外部交流電轉(zhuǎn)變成低壓直流電，通過(guò)輔助陽(yáng)極將保護(hù)電流傳遞給被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物，從而使腐蝕得到抑制。不論是犧牲陽(yáng)極法還是外加電流法，其有效合理的設(shè)計(jì)應(yīng)用都可以獲得良好的保護(hù)效果。 陰極保護(hù)和涂覆層的聯(lián)合應(yīng)用，可以使地下或水下金屬結(jié)構(gòu)物獲得最經(jīng)濟(jì)和有效的保護(hù)。良好的涂覆層可以保護(hù)構(gòu)筑物99%以上的外表面不受腐蝕，地下或水下的金屬結(jié)構(gòu)物通常在使用前涂覆防護(hù)涂層用以將金屬與電介質(zhì)環(huán)境電絕緣隔離。如果金屬構(gòu)筑物能夠做到完全電絕緣隔離，金屬在電介質(zhì)中的腐蝕電池的形成將受到抑制，腐蝕電流將無(wú)法產(chǎn)生，從而防止金屬的腐蝕。然而，完全理想的涂覆層是不存在的，由于施工過(guò)程中的運(yùn)輸、安裝及

5、補(bǔ)口，熱應(yīng)力及土壤應(yīng)力、涂層的老化及涂層微小針孔的存在，金屬結(jié)構(gòu)物的外涂層總會(huì)存在一些缺陷，而這些缺陷最終將導(dǎo)致金屬的局部腐蝕產(chǎn)生。陰極保護(hù)技術(shù)和涂層聯(lián)合應(yīng)用則可以有效解決這一問(wèn)題。一方面陰極保護(hù)可有效地防止涂層破損處產(chǎn)生的腐蝕，延長(zhǎng)涂層使用壽命，另一方面涂層又可大大減少保護(hù)電流的需要量，改善保護(hù)電流分布，增大保護(hù)半徑，使陰極保護(hù)變得更為經(jīng)濟(jì)有效，對(duì)于裸露或防腐涂層很差的地下或水下金屬構(gòu)筑物，陰極保護(hù)甚至是腐蝕防護(hù)的唯一可選擇的手段。 陰極保護(hù)的費(fèi)用通常只占被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物造價(jià)的1%5%，而結(jié)構(gòu)物的使用壽命則可因此而成倍甚至幾十倍地延長(zhǎng)，因此，這項(xiàng)技術(shù)得到人們的普遍認(rèn)可，并已在船舶、港工設(shè)施、

6、海洋工程、石化、電力、市政等領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，前景十分廣闊。 保護(hù)措施對(duì)于水面船舶，通常采取外加電流陰極保護(hù)與犧牲陽(yáng)極（水線(xiàn)以下部位加裝鋅、鎂、鋁等金屬塊）相結(jié)合的陰極保護(hù)方法。船底和水線(xiàn)以下船體部位及附體，采用外加電流陰極保護(hù)和長(zhǎng)效配套涂料聯(lián)合防腐保護(hù)。壓載水艙、污油水艙采用高效犧牲陽(yáng)極和長(zhǎng)效配套涂料聯(lián)合防腐保護(hù)。此外，接觸海水部位的不同管材的接頭、法蘭之間，必須進(jìn)行有效的電絕緣處理。同時(shí)，由于外加電流陰極保護(hù)是一種成熟有效的船體防腐蝕保護(hù)方法，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是對(duì)于大、中型艦船采用外加電流陰極保護(hù)方法，可以避免安裝大量的犧牲陽(yáng)極，減少航行阻力，并具有不受外界條件(

7、如航速、溫度、海區(qū)和油漆涂層狀態(tài)等)和鎢限制等優(yōu)越性，從而有效地抑制船體腐蝕，延長(zhǎng)艦船進(jìn)塢周期。這樣不僅節(jié)省費(fèi)用，而且保證了艦船處于良好的戰(zhàn)備狀態(tài)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的經(jīng)濟(jì)軍事意義。 一、陰保護(hù)系統(tǒng)管理知識(shí) （一）陰極保護(hù)的原理 自然界中，大多數(shù)金屬是以化合狀態(tài)存在的，通過(guò)煉制被賦予能量，才從離子狀態(tài)轉(zhuǎn)變成原子狀態(tài)，為此，回歸自然狀態(tài)是金屬固有本性。我們把金屬與周?chē)碾娊赓|(zhì)發(fā)生反應(yīng)、從原子變成離子的過(guò)程稱(chēng)為腐蝕。 每種金屬浸在一定的介質(zhì)中都有一定的電位, 稱(chēng)之為該金屬的腐蝕電位（自然電位），腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對(duì)難易。腐蝕電位愈負(fù)愈容易失

8、去電子, 我們稱(chēng)失去電子的部位為陽(yáng)極區(qū)，得到電子的部位為陰極區(qū)。陽(yáng)極區(qū)由于失去電子（如鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤）受到腐蝕，而陰極區(qū)得到電子受到保護(hù)。 陰極保護(hù)的原理是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過(guò)剩的狀態(tài)，使金屬表面各點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。有兩種辦法可以實(shí)現(xiàn)這一目的，即犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。 1、犧牲陽(yáng)極法 將被保護(hù)金屬和一種可以提供陰極保護(hù)電流的金屬或合金（即犧牲陽(yáng)極）相連，使被保護(hù)體極化以降低腐蝕速率的方法。 在被保護(hù)金屬與犧牲陽(yáng)極所形成的大地電池中，被保護(hù)金屬

9、體為陰極，犧牲陽(yáng)極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位值，在保護(hù)電池中是陽(yáng)極，被腐蝕消耗，故此稱(chēng)之為“犧牲”陽(yáng)極，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰極的被保護(hù)金屬體的防護(hù)，如圖13。  犧牲陽(yáng)極材料有高鈍鎂，其電位為-1.75V；高鈍鋅，其電位為-1.1V；工業(yè)純鋁，其電位為-0.8V（相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極）。 2、強(qiáng)制電流法（外加電流法） 將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相連，由外部電源提供保護(hù)電流，以降低腐蝕速率的方法。其方式有：恒電位、恒電流、恒電壓、整流器等。如圖1-4示。  圖1-4恒電位方式示意圖 外部電源通過(guò)埋地的輔助陽(yáng)極將保護(hù)電流引入

10、地下，通過(guò)土壤提供給被保護(hù)金屬，被保護(hù)金屬在大地中仍為陰極，其表面只發(fā)生還原反應(yīng)，不會(huì)再發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng)，使腐蝕受到抑制。而輔助陽(yáng)極表面則發(fā)生丟電子氧化反應(yīng)，因此，輔助陽(yáng)極本身存在消耗。  陰極保護(hù)的上述兩種方法，都是通過(guò)一個(gè)陰極保護(hù)電流源向受到腐蝕或存在腐蝕，需要保護(hù)的金屬體，提供足夠的與原腐蝕電流方向相反的保護(hù)電流，使之恰好抵消金屬內(nèi)原本存在的腐蝕電流。兩種方法的差別只在于產(chǎn)生保護(hù)電流的方式和“源”不同。一種是利用電位更負(fù)的金屬或合金，另一種則利用直流電源。  3 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)驅(qū)動(dòng)電壓高，輸出電流大，有效保護(hù)范圍廣，適用于被保護(hù)

11、面積大的長(zhǎng)距離、大口徑管道。 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)不需外部電源，維護(hù)管理經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單，對(duì)鄰近地下金屬構(gòu)筑物干擾影響小，適用于短距離、小口徑、分散的管道。 （二）外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的組成 1、恒電位儀：珠三角管道采用的是IHF系列數(shù)控高頻開(kāi)關(guān)恒電位儀，它的主要作用是向管道輸出保護(hù)電流。 2、陽(yáng)極地床：由若干支輔助陽(yáng)極（高硅鑄鐵）組成，通過(guò)輔助陽(yáng)極把保護(hù)電流送入土壤，經(jīng)土壤流入被保護(hù)的管道，使管道表面進(jìn)行陰極極化 (防止電化學(xué)腐蝕)，電流再由管道流入電源負(fù)極形成一個(gè)回路，這一回路形成了一個(gè)電解池，管道在回路中為負(fù)極處于還原環(huán)境中，防止腐蝕，而輔助陽(yáng)極進(jìn)

12、行氧化反應(yīng)遭受腐蝕，或是周?chē)娊赓|(zhì)被氧化。 陰保站的電能60消耗在陽(yáng)極接地電阻上, 故陽(yáng)極材料的選擇和埋設(shè)方式、場(chǎng)所的選擇,對(duì)減小電阻節(jié)約電能是至關(guān)重要的。珠三角管道的陽(yáng)極地床輔助陽(yáng)極一般為40支，陽(yáng)極地床的接地電阻小于3（設(shè)計(jì)要求），陽(yáng)極地床與管道的垂直距離要大于50米。 3、參比電極：為了對(duì)各種金屬的電極電位進(jìn)行比較，必須有一個(gè)公共的參比電極，其電極電位具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，構(gòu)造簡(jiǎn)單，通常由飽和硫酸銅參比電極、鋅電極等。 4、絕緣接頭：陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)的是輸油站外的長(zhǎng)輸管道，絕緣接頭的作用是將陰極保護(hù)電流限制在兩個(gè)陰極保護(hù)站之間的管道上。

13、0;5、檢查片：由與管道同材質(zhì)的金屬制成50×100mm的掛片，檢查片有兩組，一組與輸油管道相連，處于陰極保護(hù)狀態(tài)，一組不與管道相連，處于自然腐蝕狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后將兩組檢查片的失重量進(jìn)行比較，可分析管道的陰極保護(hù)效果。 6、測(cè)試樁：為了檢測(cè)維護(hù)管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)，在管道沿線(xiàn)設(shè)置電流及電位測(cè)試樁，電位測(cè)試樁每公里設(shè)置一個(gè)；電流測(cè)試樁每5公里設(shè)一個(gè)；套管電位測(cè)試樁每個(gè)套管處設(shè)置一個(gè)；絕緣接頭電位測(cè)試樁每一絕緣處設(shè)一個(gè)。城市埋地煤氣管道的陰極保護(hù)方法： 埋在土壤中的金屬管道由于各種原因管道表面將出現(xiàn)陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，并在陽(yáng)極區(qū)發(fā)生局部腐蝕。陰極保護(hù)就是利用外加手段迫使

14、電解質(zhì)中被保護(hù)金屬表面都成為陰極，以達(dá)到抑制腐蝕的目的。使用陰極保護(hù)時(shí)，被保護(hù)的金屬管道應(yīng)有良好的防腐絕緣層，以降低陰極保護(hù)的費(fèi)用。陰極保護(hù)技術(shù)根據(jù)保護(hù)電流的供給方式，可分為犧牲陽(yáng)極法和強(qiáng)制電流法兩種保護(hù)方法。采用犧牲陽(yáng)極法的主要優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)需外部電源、對(duì)外界干擾少、安裝維護(hù)費(fèi)用低、無(wú)需征地或占用其他建構(gòu)筑物、保護(hù)電流利用率高等，因此特別適合于城市范圍內(nèi)的埋地鋼管腐蝕。而我公司輸配管網(wǎng)絕大部分均埋設(shè)在市區(qū)范圍，因此我公司予以推薦。另方面，強(qiáng)制電流法則有：保護(hù)范圍大、適合范圍廣、激勵(lì)電勢(shì)及輸出電流高、綜合費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，故適合用于長(zhǎng)輸管線(xiàn)或市郊管線(xiàn)的防腐。如應(yīng)用于市區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，則由于其會(huì)產(chǎn)生干擾電流

15、而影響其他管線(xiàn)及建筑物，且還需要征地或占用建筑物，因此在實(shí)施時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的困難。因此，城市埋地煤氣管道防腐的陰極保護(hù)宜用犧牲陽(yáng)極法。當(dāng)條件許可時(shí)，也可采用強(qiáng)制流保護(hù)法。目前，在我公司城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)中，已全面采用犧牲陽(yáng)極法來(lái)進(jìn)行管道防腐。 3 廣州埋地燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)的設(shè)計(jì)與施工  3.1 犧牲陽(yáng)極選用及布點(diǎn)的技術(shù)要求  （1）電防護(hù)法在選用時(shí)應(yīng)符合以下要求  a）鋅陽(yáng)極不得使用在土壤電阻率20O·m的場(chǎng)合；  b）鎂陽(yáng)極不宜使用在土壤電阻車(chē)100·m的場(chǎng)合；

16、60; c）外加電流陰極保護(hù)法在選用時(shí)不受土壤電阻率的限制。  （2）采用犧牲陽(yáng)極法時(shí)，選用陽(yáng)極的保護(hù)效果應(yīng)符合以下要求：  a）對(duì)地電位應(yīng)達(dá)到-0.85V或更負(fù)；  b）通電時(shí)，陰極電位較自然電位向負(fù)方向變化值應(yīng)大于300mV；  c）當(dāng)土壤或水中含有硫酸鹽還原菌，且硫酸根含量大于0.5時(shí)，通電后，對(duì)地電位應(yīng)達(dá)到-0.95V或更負(fù)。  （3）在犧牲陽(yáng)極法中的鎂陽(yáng)極選用時(shí)，必需按照表1來(lái)進(jìn)行選取。  （4）犧牲陽(yáng)極在埋設(shè)時(shí)，與保護(hù)的燃?xì)夤艿赖木嚯x不宜小于0.3m，也

17、不宜大于7m，埋設(shè)深度不宜小于1m，且直埋設(shè)在潮濕的土壤中。埋設(shè)形式可采用立式或臥式。在陽(yáng)極與保護(hù)管道之間，嚴(yán)禁設(shè)置其他金屬構(gòu)筑物。  （5）犧牲陽(yáng)極檢測(cè)樁、檢測(cè)頭在設(shè)置a）檢測(cè)樁、檢測(cè)頭宜設(shè)置在燃?xì)庵鞲晒苎鼐€(xiàn)；  b）宜每5組犧牲陽(yáng)極或至少1Km設(shè)置1個(gè)檢測(cè)樁；  c）檢測(cè)樁應(yīng)設(shè)置在犧牲陽(yáng)極附近，且宜安裝在管道沿線(xiàn)中土壤腐蝕性強(qiáng)、濕度大、地下水位高或管道絕緣防腐層薄弱的地點(diǎn)；  d）宜每在每個(gè)檢測(cè)樁附近設(shè)置1個(gè)檢測(cè)頭。  （6）設(shè)置檢查樁和檢測(cè)頭的目的：檢測(cè)樁是為了監(jiān)測(cè)犧牲陽(yáng)極裝置的保護(hù)電位。

18、檢測(cè)頭是為了檢測(cè)、掌握陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行后管道被保護(hù)狀態(tài)而設(shè)置。  3.2犧牲陽(yáng)極的施工要求  a）陽(yáng)極的埋設(shè)：按比例配制、調(diào)勻好填料，裝入300×1000的棉或麻布袋中，將經(jīng)過(guò)用鐵砂紙打光及表面清潔處理的陽(yáng)極及時(shí)插人填料中心位置，并壓實(shí)；包外用鐵線(xiàn)纏繞綁實(shí)平臥或豎直埋設(shè)在管道側(cè)邊的2-3M處，埋深應(yīng)與管道埋深相同，并要在冰凍線(xiàn)以下，用細(xì)原土摻鹽分層澆水濕潤(rùn)后回填混凝土。  b）所有的電纜與陽(yáng)極、銅鼻子、管道、加強(qiáng)板的連接采用錫焊（分線(xiàn)盒內(nèi)的連接除外），焊接前都要?jiǎng)內(nèi)シ栏^緣層，清潔、打光焊接處；在焊接處及電纜的外裸部位必須做

19、好絕緣防腐處理；電纜加PVC保護(hù)套管松緩自然埋設(shè)，埋深與管道埋深相同。  C）在防護(hù)罩內(nèi)的電纜要有個(gè)0.8M的冗余長(zhǎng)度（電纜冗余部分不加PVC保護(hù)套管），以便將分線(xiàn)盒提出地面檢測(cè)參數(shù)；分線(xiàn)盒的兩個(gè)出人線(xiàn)孔用浸過(guò)瀝青的麻絲填實(shí)，再用瀝青填平做防水處理。  d）連接管道的電纜顏色應(yīng)與其它電纜顏色區(qū)分開(kāi)，以便辯認(rèn)檢測(cè)。  e）分線(xiàn)盒在施工安裝、檢測(cè)完畢后，分線(xiàn)盒蓋子須擰緊防水。  f）陽(yáng)極的埋設(shè)點(diǎn)必須做永久性標(biāo)志，并填入"投產(chǎn)保護(hù)參數(shù)測(cè)量表"中，永久性標(biāo)志可以包括周?chē)ㄖ铩?#160; 3

20、.3設(shè)計(jì)示例  舊廣從公路（興華路至同和三叉路口段）煤氣主干管，位于廣州市北郊，全長(zhǎng)5.2km，管道呈南一北走向，管徑均為D325×6mm。第一步在設(shè)計(jì)好煤氣管道的基礎(chǔ)上布置犧牲陽(yáng)極時(shí)，先確定頭和尾兩個(gè)犧牲陽(yáng)極，一般頭、尾兩個(gè)犧牲陽(yáng)極定在距離煤氣管道的起點(diǎn)、終點(diǎn)100150m左右，第二步再根據(jù)表1中的管徑大小的規(guī)定距離以及選用鎂陽(yáng)極規(guī)格來(lái)分別設(shè)置犧牲陽(yáng)極。根據(jù)表1，管徑是D325×6mm的煤氣管道，選用雙塊11Kg鎂陽(yáng)極時(shí)，它對(duì)管道的保護(hù)長(zhǎng)度是272.1m，由此計(jì)算所得舊廣從公路煤氣管道共需要設(shè)置15組雙塊11Kg鎂陽(yáng)極，4組帶檢測(cè)樁犧牲陽(yáng)極211Kg及

21、4組檢測(cè)頭。我公司定為檢測(cè)樁設(shè)置在犧牲陽(yáng)極同一位置上（即是與其中一組犧牲陽(yáng)極串聯(lián)），稱(chēng)為帶檢測(cè)樁犧牲陽(yáng)極；而檢測(cè)頭一般設(shè)在兩組犧牲陽(yáng)極之間。廣從公路犧牲陽(yáng)極布點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖1。  4 結(jié)束語(yǔ)  目前，人們已認(rèn)識(shí)到了管道外防腐絕緣層與陰極保護(hù)的聯(lián)合使用是最經(jīng)濟(jì)、最合理的防蝕措施。這是因?yàn)榉栏瘜釉谏a(chǎn)、運(yùn)輸、與施工中無(wú)法保證不受到任何損壞。因此，不可能完全將管道與腐蝕環(huán)境、介質(zhì)完全隔離。而且用于防腐絕緣層的各種材料，都不同程度的具備吸水和透氣性。因此埋地后，在土壤溶液作用下會(huì)逐步吸水老化。要維持有效的防腐，就必需同時(shí)采取陰極保護(hù)，即聯(lián)合保護(hù)。陰極保護(hù)對(duì)腐蝕反應(yīng)進(jìn)行積極的干預(yù)，它采陰極極化的電化學(xué)手段，保證了被保護(hù)金屬體的