陰極保護(hù)基本原理

1、陰極保護(hù)基本原理一、腐蝕電位或自然電位每種金屬浸在一定的介質(zhì)中都有一定的電位，稱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難易。腐蝕電位愈負(fù)愈容易失去電子，我們稱失去電子的部位為陽極區(qū)，得到電子的部位為陰極區(qū)。陽極區(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)。相對于飽和硫酸銅參比電極（CSE）,不同金屬的在土壤中的腐蝕電位（V）金屬高純鎂鎂合金（6%Al,3%Zn,0.15%Mn）鋅鋁合金（5%Zn）純鋁低碳鋼（表面光亮）低碳鋼（表面銹蝕）鑄鐵混凝土中的低碳鋼銅電位（CSE）-1.75-1.10-0.80-0.50-0.20-

2、1.60-1.05-0.50to-0.80-0.20to-0.50-0.20在同一電解質(zhì)中,不同的金屬具有不同的腐蝕電位,如輪船船體是鋼,推進(jìn)器是青銅制成的,銅的電位比鋼高,所以電子從船體流向青銅推進(jìn)器,船體受到腐蝕,青銅器得到保護(hù)。鋼管的本體金屬和焊縫金屬由于成分不一樣,兩者的腐蝕電位差有時(shí)可達(dá)0.275V，埋入地下后，電位低的部位遭受腐蝕。新舊管道連接后,由于新管道腐蝕電位低,舊管道電位高,電子從新管道流向舊管道,新管道首先腐蝕。同一種金屬接觸不同的電解質(zhì)溶液（如土壤）,或電解質(zhì)的濃度、溫度、氣體壓力、流速等條件不同,也會造成金屬表面各點(diǎn)電位的不同。二、參比電極為了對各種金屬的電極電位進(jìn)行

3、比較,必須有一個(gè)公共的參比電極。飽和硫酸銅參比電極,其電極電位具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性,構(gòu)造簡單,在陰極保護(hù)領(lǐng)域中得到廣泛采用。不同參比電極之間的電位比較：土壤中或浸水鋼鐵結(jié)構(gòu)最小陰極保護(hù)電位（V）被保護(hù)結(jié)構(gòu)相對于不同參比電極的電位飽和硫酸銅氯化銀鋅飽和甘汞鋼鐵（土壤或水中）-0.85-0.750.25-0.778鋼鐵（硫酸鹽還原菌）-0.95-0.850.15-0.878三、陰極保護(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,犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)

4、。1、犧牲陽極陰極保護(hù)是將電位更負(fù)的金屬與被保護(hù)金屬連接,并處于同一電解質(zhì)中,使該金屬上的電子轉(zhuǎn)移到被保護(hù)金屬上去,使整個(gè)被保護(hù)金屬處于一個(gè)較負(fù)的相同的電位下。該方式簡便易行，不需要外加電源，很少產(chǎn)生腐蝕干擾，廣泛應(yīng)用于保護(hù)小型（電流一般小于1安培）或處于低土壤電阻率環(huán)境下（土壤電阻率小于100歐姆.米）的金屬結(jié)構(gòu)。如，城市管網(wǎng)、小型儲罐等。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)資料的報(bào)道，對于犧牲陽極的使用有很多失敗的教訓(xùn)，認(rèn)為犧牲陽極的使用壽命一般不會超過3年，最多5年。犧牲陽極陰極保護(hù)失敗的主要原因是陽極表面生成一層不導(dǎo)電的硬殼，限制了陽極的電流輸出。本人認(rèn)為，產(chǎn)生該問題的主要原因是陽極成份達(dá)不到規(guī)范要求，其次是

5、陽極所處位置土壤電阻率太高。因此，設(shè)計(jì)犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，除了嚴(yán)格控制陽極成份外，一定要選擇土壤電阻率低的陽極床位置。2、外加電流陰極保護(hù)是通過外加直流電源以及輔助陽極，迫使電流從土壤中流向被保護(hù)金屬，使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境。該方式主要用于保護(hù)大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如：長輸埋地管道，大型罐群等。被保護(hù)金屬施加負(fù)電流，通過陰極極化使其電極電位負(fù)移至金屬的平穩(wěn)電位，從而抑阻金屬腐蝕的保護(hù)方法稱為陰極保護(hù)。陰極保護(hù)是一種控制金屬電化學(xué)腐蝕的保護(hù)方法。在陰極保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成的電池中，氧化反應(yīng)集中發(fā)生在陽極上，從而抑阻了作為陰極的被保護(hù)金屬上的腐蝕。陰極保護(hù)是一種基于電化學(xué)腐

6、蝕原理而發(fā)展的一種電化學(xué)保護(hù)技術(shù)?？蓮碾姌O反應(yīng)、極化曲線和極化圖以及電位-pH圖等諸方面理解陰極保護(hù)原理。DI0-1.15V7那圖1陰極保護(hù)原理的極化曲線說明:鐵在中性水溶液中的實(shí)驗(yàn)極化曲線（實(shí)線）和真實(shí)極化曲線（虛線）以及鎂的陽極極化曲線示意圖電極反應(yīng)方面任意兩種金屬/合金的組合，都可構(gòu)成電化學(xué)電池；低電位者為電池的陽極，主要發(fā)生氧化反應(yīng)；高電位者為陰極，主要發(fā)生還原反應(yīng)。由于陽極和陰極之間存在著電位差，外部電連接的陽極和陰極之間將有電流流過電池，從而加速了陽極的腐蝕，同時(shí)抑阻陰極的腐蝕，使陰極金屬獲得陰極保護(hù)。極化曲線和極化圖方面根據(jù)混合電位理論，金屬表面上局部陽極和局部陰極通過各自的極化

7、而匯聚至一個(gè)共同的混合電位，即金屬的自腐蝕電位Ecorr；此時(shí)局部陽極的氧化反應(yīng)速度與局部陰極的還原反應(yīng)速度相等，即等于金屬的自腐蝕電流icorr，如圖1所示。圖中給出了鐵在中性水溶液中的局部陽極的真實(shí)極化曲線（Ee,aFPSA）和局部陰極的真實(shí)極化曲線（Ee,cSMBD），以及該體系的實(shí)驗(yàn)的陽極極化曲線（EcorrA）和陰極極化曲線（EcorrGOBB）。陰極極化至任一電位時(shí)的外加負(fù)電流都等于此時(shí)極化后的局部陰極還原反應(yīng)電流ic與局部陽極氧化反應(yīng)電流ia之差。當(dāng)陰極極化使金屬電極電位負(fù)移至局部陽極反應(yīng)的平穩(wěn)電位Ee,a時(shí)，外加極化電流幾乎就等于局部陰極電流，因?yàn)榇藭r(shí)的局部陽極電流已可予以忽略

8、不計(jì)，當(dāng)然此時(shí)鐵上腐蝕也就被完全抑阻了，即獲得了完全陰極保護(hù)。圖2電位-pH圖上的陰極保護(hù)范圍（Fe-H20系）日電位-pH圖方面電位-pH圖是從熱力學(xué)說明陰極保護(hù)的理論基礎(chǔ)。圖2是根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算獲得的Fe-H2O系電位-pH圖?？梢钥闯?，在pH=67的中性水中，鐵呈活化腐蝕狀態(tài)；通過外加負(fù)電流的陰極極化，可使鐵的電極電位從腐蝕區(qū)進(jìn)入免蝕區(qū)。對鐵，這是一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)，金屬腐蝕停止，即此時(shí)鐵獲得了陰極保護(hù)。金屬界面反應(yīng)玘陰極保護(hù)的圖解說明圖3給出了鐵在NaCl水溶液（或土壤）中于金屬界面處發(fā)生的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過程，以及陰極保護(hù)系統(tǒng)通過鎂陽極或外電源產(chǎn)生的外加負(fù)電流對這些反應(yīng)過程的作用影響，說明

9、了各種反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)和反應(yīng)產(chǎn)物的存在和傳遞。由于陰極保護(hù)系統(tǒng)通過犧牲陽極或外電源，能對金屬提供足夠量的電子（施加所需的負(fù)電流），使金屬界面呈負(fù)電性和達(dá)到足夠負(fù)的電極電位，從而抑阻氧化反應(yīng)（FeFe2+2e）；此時(shí)還原反應(yīng)所需電子完全從犧牲陽極或外電源獲得。由此實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)，停止了金屬的腐蝕過程。fe；W甜Q2CIClfl圖3鐵在NaCI水溶液中于金屬界面處的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過程及陰極保護(hù)作用的圖解說明犧牲陽極法陰極保護(hù)：在土壤等電解質(zhì)環(huán)境中，犧牲陽極因其電極電位比被保護(hù)體的更負(fù)，當(dāng)與被保護(hù)體電連接后將優(yōu)先腐蝕溶解，釋放出的電子在被保護(hù)體表面發(fā)生陰極還原反應(yīng)，抑阻了被保護(hù)體的陽極溶解過程，從而對被保護(hù)

10、體提供了有效的陰極保護(hù)。犧牲陽極保護(hù)法的主要特點(diǎn)是：犧牲陽極法陰極保護(hù)原理匿（1）沙土（2）粘土心）鎂陽根l=lclsl=i適用范圍廣，尤其是中短距離和復(fù)雜的管網(wǎng)陽極輸出電流小，發(fā)生陰極剝離的可能性小隨管道安裝一起施工時(shí)，工程量較小運(yùn)行期間，維護(hù)工作簡單。陽極輸出電流不能調(diào)節(jié)，可控性較小。外加電流法陰極保護(hù)：外加電流法陰極保護(hù)則是利用外部電源對被保護(hù)體施加陰極電流，為其表面上進(jìn)行的還原反應(yīng)提供電子，從而抑阻被保護(hù)體自身的腐蝕過程。兩種方法的保護(hù)原理相同，只是提供陰極電流的方式不同，且由此衍生出的設(shè)備裝置和技術(shù)要求都有很大不同。強(qiáng)制電流保護(hù)法的主要特點(diǎn)是：產(chǎn)jJC識“汕廣-aj計(jì)ft強(qiáng)制電疣法陰

11、極保護(hù)原連圖（1）沙土粘土（）電網(wǎng)供電的整疣器（4）輔戲陽極適用于長輸管線和區(qū)域性管網(wǎng)的保護(hù)輸出電流大，一次性投資相對較小安裝工程量較小，可對舊管道補(bǔ)加陰極保護(hù)運(yùn)行期間需要專業(yè)人員維護(hù)容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控外加電流法陰極保護(hù)的方式：淺埋陽極地床技術(shù)淺埋陽極地床是指一支或多支陽極垂直（或水平）安裝于地下1米或更深的土壤中，以提供陰極保護(hù)的陽極地床。優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)范圍大、經(jīng)濟(jì)、保護(hù)裝置壽命長。但受地形限制較大，存在陽極地床氣阻隨時(shí)間增大，電阻率增大的問題，它會造成地電位正移、電位梯度增大，導(dǎo)致對周圍其它構(gòu)筑物的雜散電流干擾不斷嚴(yán)重。深井陽極地床技術(shù)深井陽極地床是指一支或多支陽極垂直安裝于地下15m或更

12、深的井孔中，以提供陰極保護(hù)的陽極地床。與常用的淺埋陽極地床相比具有使用時(shí)不受地形限制、干擾小、接地電阻小、能提供比淺埋陽極更均勻的保護(hù)電流、保護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。深井陽極地床應(yīng)在地下金屬構(gòu)筑物密集、無法設(shè)置淺埋陽極、且如果使用普通的淺埋陽極會對鄰近的金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生干擾，或者地表的土壤電阻率高的場合使用。冷分布式陽極地床技術(shù)分布式陽極地床是指陽極沿被保護(hù)管道近距離線性敷設(shè)，以提供陰極保護(hù)的陽極地床。主要優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)電位沿管道均勻分布，可以避免長距離管道保護(hù)中過保護(hù)和保護(hù)不足同時(shí)存在的問題，對其他金屬構(gòu)筑物干擾影響最小，即使管道防腐層破損嚴(yán)重，也能保證電流的均勻分布，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)，適用于不同土壤電阻率的

13、土壤環(huán)境。在石化廠區(qū)，地下輸油、輸氣、輸水、熱力管道縱橫交錯(cuò)，由于內(nèi)部輸送介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕，以及外部土壤和雜散電流干擾的腐蝕作用，泄露事故時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致管道設(shè)備非計(jì)劃檢修、更換，甚至影響到企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行，造成巨大的直接、間接損失。所以，對整個(gè)石化廠區(qū)埋地管線進(jìn)行區(qū)域性陰極保護(hù)以被越來愈多的企業(yè)所重視，這也是石化企業(yè)加強(qiáng)安全生產(chǎn)的需要。在原有埋地管線追加陰極保護(hù)時(shí)，一般先從比較重要和急需保護(hù)的單根管線做起。對此管線進(jìn)行全面的調(diào)查（包括管道地理信息、土壤腐蝕情況、雜散電流、外防腐層狀況和電連接情況），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)并加以實(shí)施。施工完畢后，對陰極保護(hù)效果進(jìn)行檢測、調(diào)整，直到達(dá)到保護(hù)要求。在儲罐區(qū)可以把幾根管線和與其連接的儲罐作為一個(gè)整體來考慮，進(jìn)行小范圍的區(qū)域性陰極保護(hù)。在一個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，不同管線之間和管線與儲罐之間不需要電絕緣，同時(shí)也可以消除金屬構(gòu)筑物之間的相互干擾。小范圍的區(qū)域性陰極保護(hù)的投資比單個(gè)陰極保護(hù)工程投資的總和要小的多。把整個(gè)石化廠區(qū)作為一個(gè)系統(tǒng)來考慮作區(qū)域性陰極保護(hù)是最理想最經(jīng)濟(jì)的方案，效果也最好。但是整個(gè)石化廠區(qū)的金屬構(gòu)筑物十分復(fù)雜，陰極保護(hù)手段和陽極的選址很難滿足眾多因素的需要