電化學(xué)保護(hù)-金屬的腐蝕與防護(hù).ppt

1、金屬的腐蝕與防護(hù),教學(xué)課件,第六章 電化學(xué)保護(hù),應(yīng)用電化學(xué)極化的方法來(lái)防止和減輕金屬腐蝕的方法稱為電化學(xué)保護(hù)。 主要有陽(yáng)極保護(hù)和陰極保護(hù)兩種類型。 另外，為了減輕電解腐蝕（主要是雜散電流腐蝕）所采取的排流防蝕技術(shù)及區(qū)域保護(hù)技術(shù)也進(jìn)行了闡述論述。,6.1 陽(yáng)極保護(hù),對(duì)腐蝕介質(zhì)中的金屬結(jié)構(gòu)物進(jìn)行陽(yáng)極極化，使其表面形成鈍化膜，并通電維持其鈍化狀態(tài)，從而顯著降低腐蝕速度的保護(hù)措施稱為陽(yáng)極保護(hù)。 主要用于有氧化性且無(wú)Cl-的酸、堿、鹽溶液中，要求材料必須具有鈍化性，因此在海洋環(huán)境中忌用陽(yáng)極保護(hù)，因?yàn)楹Ｋ泻写罅緾l-。,一、原理 由E-pH圖可見，當(dāng)電極發(fā)生陽(yáng)極極化而電位正移時(shí)，金屬由活化腐蝕區(qū)過(guò)渡到

2、鈍化穩(wěn)定區(qū)，使腐蝕過(guò)程的陰極控制變?yōu)殛?yáng)極控制。只有能夠發(fā)生陽(yáng)極鈍化的情況下才適用于該方法，極化狀態(tài)必須保持在鈍化區(qū)。,第六章 電化學(xué)保護(hù),二、參數(shù) 由鈍化曲線可以看出，陽(yáng)極保護(hù)的主要參數(shù)是： （1）致鈍電流密度，或臨界電流密度（icp）：是產(chǎn)生鈍化所需最小陽(yáng)極極化電流密度（Am-2），它相當(dāng)于金屬陽(yáng)極溶解的最大值，只有超過(guò)此值的電流部分才能形成鈍化膜。 極化電流密度（i）越大，轉(zhuǎn)化為鈍化狀態(tài)所需時(shí)間（t）越短，其間大體有如下關(guān)系： （iicp）t常數(shù) 實(shí)際應(yīng)用中要求icp越小越好，若太大則極化初期消耗功率大，使設(shè)備龐大而造價(jià)較高。,第六章 電化學(xué)保護(hù),（2）維鈍電流密度或穩(wěn)定鈍化電流密度（ip

3、）：是鈍化狀態(tài)下維持電位穩(wěn)定所需電流密度（Am-2），它主要用于補(bǔ)充鈍化膜的溶解。 因此，ip越小越好，且消耗電能少。根據(jù)電解定律可以求出鈍化膜的溶解速度Km與ip的關(guān)系為： KmNip26.8（gm-2h-1） （61） 式中：N鈍化膜的化學(xué)當(dāng)量（g）； ip鈍化膜的維鈍電流密度（Am-2）； 26.8電化學(xué)當(dāng)量（Ah），26.8Ah96500 C。 （3）鈍化（區(qū)）電位（E鈍）：是使金屬維持鈍化狀態(tài)的電位，其范圍越寬越好。,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 包括恒電位儀、輔助陰極、參比電極和被保護(hù)結(jié)構(gòu)物，以及附設(shè)電路和儀表等。 1陰極材料 要求耐蝕，機(jī)械強(qiáng)度好，不發(fā)生氫脆。 濃硫酸中可使用

4、鉑、金、鑄鐵等； 稀硫酸中可使用銀、鋁青銅、石墨； 鹽水中可使用高鎳或高鉻合金、碳鋼； 堿液中可使用碳鋼。 陰極設(shè)置力求最佳電流分布，使被保護(hù)的結(jié)構(gòu)物整體均處于鈍化穩(wěn)定區(qū)。陰極安裝應(yīng)當(dāng)絕緣、牢固、方便維修。陰極引出線與被保護(hù)體之間絕緣良好，并進(jìn)行絕緣密封。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2參比電極 有甘汞電極、氯化銀電極、硫酸亞汞電極或氧化亞汞電極，根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和使用要求選定。 鉑在硫酸中，銀在鹽酸中或食鹽水中，鋅在堿性溶液中具有穩(wěn)定電位，也可作參比電極使用。 參比電極應(yīng)分別設(shè)置在距離陰極近、中、遠(yuǎn)三處，平時(shí)以中間為監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，近、遠(yuǎn)處的參比電極可用來(lái)觀察電位分布或臨時(shí)使用。 3電器設(shè)備 恒電位儀，工業(yè)用

5、一般要求為624V，50500A。根據(jù)陽(yáng)極保護(hù)三參數(shù)和被保護(hù)體的面積估算。配電與走線要求安全合理，注意接地，防止雜散電流腐蝕。,第六章 電化學(xué)保護(hù),四、陽(yáng)極保護(hù)方式 1單純陽(yáng)極保護(hù) 有連續(xù)通電式和間歇通電式。 用同一套電器設(shè)備同時(shí)滿足icp和ip的要求，往往遇到實(shí)際困難。因?yàn)槎邤?shù)值往往相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如：在100H2SO4中，對(duì)于碳鋼icp100Am-2，ip0.5Am-2；在30%HNO3中，對(duì)于碳鋼icp10000 Am-2，ip0.2Am-2，為解決這一矛盾，可以采取逐漸加液連續(xù)通電式或連續(xù)鈍化式。 逐漸加液連續(xù)通電式是采取逐步加液，逐步鈍化，直至容器中盛滿液體和完全鈍化，在此過(guò)程中，

6、所需電流一直維持較小數(shù)量級(jí)。 連續(xù)鈍化式是預(yù)先涂覆臨時(shí)性涂層，由于涂層有針孔，露出的面積很小，鈍化電流也較小，實(shí)際使用過(guò)程中涂層逐漸破損，破損處很快鈍化，直至涂層完全剝落，容器完全鈍化，但其致鈍電流卻始終較小。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2聯(lián)合保護(hù) 陽(yáng)極鈍化法與其他防腐方法相結(jié)合的聯(lián)合保護(hù)技術(shù)往往具有更好的防腐效果，經(jīng)常采用的聯(lián)合保護(hù)是陽(yáng)極鈍化法。 主要有下列三種方式，即與涂層結(jié)合、與緩蝕劑結(jié)合或與電偶結(jié)合。 例如：由于硫酸中的鈦與碳或鉑（電偶）相連接、熱硫酸中的鉻鋼與Fe3O4 + MnO2相連接時(shí)可處于鈍化穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)初期使設(shè)備強(qiáng)制鈍化后，就可以用電偶方式保持其鈍化狀態(tài)。,第六章 電化學(xué)保護(hù),五、

7、應(yīng)用舉例（表6-2）,表6-2 陽(yáng)極保持應(yīng)用舉例,注：陽(yáng)極保護(hù)在含有Cl-的介質(zhì)中慎用；工程設(shè)計(jì)中注意絕緣和參比點(diǎn)的選擇。,第六章 電化學(xué)保護(hù),6.2 陰極保護(hù),一、基本原理 陰極保護(hù)是將被保護(hù)金屬陰極極化，使之處于熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)，從而減輕或防止金屬腐蝕的電化學(xué)方法。 根據(jù)金屬電化學(xué)腐蝕原理，電位較低（負(fù)）的鐵和電位較高（正）的銅連在一起浸入海水中，電位較低的鐵被腐蝕而電位較高的銅得到了保護(hù)。若想使鐵和銅都不腐蝕，需將一塊電位比銅和鐵更低的金屬鋅接到回路中，并串聯(lián)毫安表（mA）指示電流的大小和方向，如圖6l所示。,第六章 電化學(xué)保護(hù),由于鋅板的電化學(xué)活性較強(qiáng)，連接后鋅板上發(fā)生氧化反應(yīng)Zn2eZn

8、2+，其間有大量的過(guò)剩電子沿導(dǎo)線流入銅板和鐵板，而且 ee1 + e2 式中：el鋅板流入鐵板電子數(shù)； e2鋅板流入銅板電子數(shù)。 當(dāng)el足夠大時(shí)，就能抵消原先引起鐵板腐蝕的電子流e腐，那么鐵板上再?zèng)]有電子沿著導(dǎo)線流入銅板了，這時(shí)回路中的電流方向是從鐵板和銅板經(jīng)導(dǎo)線流入鋅板，再由鋅板經(jīng)海水流回鐵板和銅板。 因此，若電流表上的指針指零或反向，則表示鐵的腐蝕電流消失或得到過(guò)剩陰極電流的保護(hù)，因此，鐵板得到了保護(hù)不再發(fā)生腐蝕，而鋅板卻受到了腐蝕。,第六章 電化學(xué)保護(hù),由于鋅板的接入，腐蝕電池中的鐵板和銅板都變成了陰極而得到保護(hù)，所以稱這種保護(hù)為陰極保護(hù)。 下面用極化曲線來(lái)說(shuō)明陰極保護(hù)的原理。為了說(shuō)明問(wèn)

9、題，把陰、陽(yáng)極化曲線按照強(qiáng)極化處理簡(jiǎn)化成直線，如圖72所示。 在圖62中，SQR為陰極極化曲線，PS為陽(yáng)極極化曲線，兩者相交于S點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的電流Icorr為系統(tǒng)的腐蝕電流，對(duì)應(yīng)的電位Ec為系統(tǒng)的腐蝕電位（或稱混合電位）。,第六章 電化學(xué)保護(hù),當(dāng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備施加陰極保護(hù)時(shí)，即向設(shè)備施加陰極電流使其發(fā)生陰極極化，則系統(tǒng)設(shè)備的總電位就向負(fù)的方向移動(dòng)，如移至E1，這時(shí)陰極上的總電流為I1，相當(dāng)于線段E1Q，其中一部分電流是外加的，相當(dāng)于PQ段，另一部分電流仍然是由于陽(yáng)極腐蝕而產(chǎn)生的，相當(dāng)于E1P段，可以看到，這時(shí)陽(yáng)極的腐蝕電流I1要比原來(lái)腐蝕電流Icorr小，即陽(yáng)極腐蝕速度降低，得到一定的保護(hù)。,第六章

10、電化學(xué)保護(hù),當(dāng)外加的電流繼續(xù)增加時(shí)，系統(tǒng)的電位會(huì)繼續(xù)往負(fù)的方向移動(dòng)，當(dāng)電位達(dá)到陽(yáng)極的平衡電位時(shí)，則陽(yáng)極腐蝕電流等于零，即得到了完全保護(hù)，這時(shí)陰極電流Ip（相當(dāng)于R段）全部是外加的電流，這一外加電流稱為最小保護(hù)電流，所對(duì)應(yīng)的電位稱為最小保護(hù)電位（等于）。 一般在海水中金屬?gòu)姆€(wěn)定電位往負(fù)的方向極化200300mV，就可以得到完全保護(hù)。,二、陰極保護(hù)的種類及特點(diǎn) 所謂陰極保護(hù)就是向被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)通以一定的陰極極化電流，使被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)電位降至穩(wěn)定區(qū)而得到保護(hù)。根據(jù)所提供電流的方式不同，可分為犧牲陽(yáng)極保護(hù)法和外加電流保護(hù)法。 犧牲陽(yáng)極保護(hù)法就是選擇電位較低的金屬材料（如圖7l中的Zn板），在電解液中

11、與被保護(hù)的金屬相連，依靠其自身腐蝕所產(chǎn)生的電流來(lái)保護(hù)其他金屬的方法。這種為了保護(hù)其他金屬而自身被腐蝕損耗的金屬或合金，就被稱之為犧牲陽(yáng)極。常用的有鋁及其合金、鋅及其合金、鎂及其合金等陽(yáng)極。 外加電流陰極保護(hù)法是通過(guò)外加直流電源來(lái)提供所需的保護(hù)電流。將被保護(hù)的金屬作陰極，選用特定材料作為輔助陽(yáng)極，從而使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)受到保護(hù)的方法。,第六章 電化學(xué)保護(hù),表6-3 電化學(xué)陰極保護(hù)法的比較,表63比較了兩種陰極保護(hù)法的優(yōu)缺點(diǎn)。,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、陰極保護(hù)的主要參數(shù),保護(hù)電位,保護(hù)電流密度,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、陰極保護(hù)的主要參數(shù),保護(hù)電位,保護(hù)電位是指陰極保護(hù)時(shí)使金屬停止腐蝕所需的電位值。為

12、了使腐蝕完全停止，必須使被保護(hù)的金屬電位極化到活潑的陽(yáng)極“平衡”電位。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這一電位就是鐵在給定電解質(zhì)溶液中的平衡電位。 保護(hù)電位的值有一定范圍，例如鐵在海水中的保護(hù)電位在0.800.90V（vsAgAgCl）之間，當(dāng)電位比0.80V更高時(shí)，鐵不能得到完全的保護(hù)，所以該值又稱為最小保護(hù)電位。當(dāng)電位比1.0V更低時(shí)，陽(yáng)極上可能析氫，使陽(yáng)極表面上的涂層鼓泡損壞，并可能產(chǎn)生氫脆，同時(shí)保護(hù)電流密度增大造成浪費(fèi)，因而還要確定最大保護(hù)電位即析氫電位。 保護(hù)電位值常作為判斷陰極保護(hù)是否完全的依據(jù)，通過(guò)測(cè)量被保護(hù)結(jié)構(gòu)的各部分的電位值，可以了解保護(hù)的情況，因而保護(hù)電位值是設(shè)計(jì)和監(jiān)控陰極保護(hù)的一個(gè)重要指

13、標(biāo)。,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、陰極保護(hù)的主要參數(shù),保護(hù)電位,表6-4 一些金屬在海水中的保護(hù)電位,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、陰極保護(hù)的主要參數(shù),陰極保護(hù)時(shí)使金屬的腐蝕速度降到允許程度所需要的電流密度值，稱為最小保護(hù)電流密度（ip）。最小保護(hù)電流密度是與最小保護(hù)電位相對(duì)應(yīng)的，要使金屬達(dá)到最小保護(hù)電位，其電流密度不能小于該值，否則，金屬就達(dá)不到滿意的保護(hù)。如果所采用的電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該值，則有可能發(fā)生“過(guò)保護(hù)”，出現(xiàn)電能損耗過(guò)大、保護(hù)作用降低等現(xiàn)象。 最小保護(hù)電流密度作為陰極保護(hù)的主要參數(shù)之一，與被保護(hù)的金屬種類、腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)、保護(hù)系統(tǒng)中電路的總電阻、金屬表面有否涂覆層及涂覆層的種類、外界環(huán)境條件

14、等因素有關(guān)，必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況才能判斷得當(dāng)。,保護(hù)電流密度,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、陰極保護(hù)的主要參數(shù),表65列出了鋼鐵在不同環(huán)境中所需的保護(hù)電流密度。表66列出中國(guó)一些碼頭用鋼所需的保護(hù)電流密度。,保護(hù)電流密度,表65 鋼鐵在不同環(huán)境中所需的保護(hù)電流密度,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、陰極保護(hù)的主要參數(shù),保護(hù)電流密度,表66 中國(guó)一些碼頭用鋼所需的保護(hù)電流密度,第六章 電化學(xué)保護(hù),四、陰極保護(hù)的影響因素,腐蝕電池的極化,涂覆層,第六章 電化學(xué)保護(hù),四、陰極保護(hù)的影響因素,腐蝕電池的極化,由于陰極保護(hù)是在被保護(hù)金屬表面陰極極化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以原來(lái)腐蝕電池的極化性能對(duì)陰極保護(hù)有很大的影響。,（

15、1）在陰極極化率較大和陽(yáng)極極化率較小的情況下，極化曲線如圖63所示，被保護(hù)金屬的腐蝕主要受陰極控制，在這種情況下較易達(dá)到完全保護(hù)。如果陰極極化曲線為擴(kuò)散控制部分，則保護(hù)電位正好處于該范圍內(nèi)，則Ip與Ic基本相等。,第六章 電化學(xué)保護(hù),四、陰極保護(hù)的影響因素,腐蝕電池的極化,（2）在陰極極化率和陽(yáng)極極化率相等的情況下，或陽(yáng)極極化率較大的情況下，極化曲線圖（圖64）要達(dá)到完全保護(hù)，使系統(tǒng)達(dá)到保護(hù)電位Ea，則IpIc，即保護(hù)電流要比腐蝕電流大得多。,第六章 電化學(xué)保護(hù),四、陰極保護(hù)的影響因素,腐蝕電池的極化,（3）周圍介質(zhì)腐蝕性的增大，會(huì)使保護(hù)電流相應(yīng)加大。介質(zhì)中氯離子濃度的增加、含氧量的增大、介質(zhì)

16、攪動(dòng)速度加快（如增加海水流速）均使陰極極化減弱，從而使極化所需的電流增加，即保護(hù)電流增大。 介質(zhì)中化學(xué)成分的變化、含氧量的多少、pH值大小及離子種類、懸浮物的多少對(duì)陰極保護(hù)都有影響。含氧量、pH值及介質(zhì)電導(dǎo)率都會(huì)影響陽(yáng)極極化速度，使得所需的陰極保護(hù)電流發(fā)生變化。 懸浮物的增多會(huì)使陰極表面發(fā)生磨損，導(dǎo)致陰極極化減弱，腐蝕電流增加，保護(hù)電流相應(yīng)增大。 溫度也會(huì)影響極化率。溫度升高使氧的溶解度降低，但同時(shí)擴(kuò)散速度加快，電極反應(yīng)速度加快，最終往往使得保護(hù)電流密度有所變化。,第六章 電化學(xué)保護(hù),四、陰極保護(hù)的影響因素,金屬表面的油漆涂層可以使金屬與周圍介質(zhì)隔離，但由于涂層并不是完全致密的，往往具有微小的

17、孔隙和缺陷，在此局部會(huì)發(fā)生腐蝕。若陰極保護(hù)與油漆聯(lián)合保護(hù)，則使得這些局部得到保護(hù)，而且所需保護(hù)電流密度比裸露金屬要小得多。 在陰極保護(hù)時(shí)，接觸海水的陽(yáng)極表面由于pH值升高而形成石灰質(zhì)垢層，即電解被覆層。由于金屬表面被覆蓋，增加了表面電阻，降低了防蝕電流密度，提高了防腐效果。 由于形成石灰質(zhì)垢層后保護(hù)電流密度會(huì)大幅度降低，電位分布更趨均勻，因而在陰極保護(hù)過(guò)程中，常常最初控制較大電流密度，使表面盡快形成致密的石灰質(zhì)垢層，然后采用較小的電流密度來(lái)維持。,涂覆層,第六章 電化學(xué)保護(hù),6.3 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法,一、犧牲陽(yáng)極的性能及種類,1犧牲陽(yáng)極的性能要求 （1）陽(yáng)極電位。犧牲陽(yáng)極要有足夠負(fù)的電位，不

18、僅要有足夠負(fù)的開路電位，而且要有足夠負(fù)的工作電位，并能與被保護(hù)金屬之間產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)電壓，另外要求陽(yáng)極本身極化小，電位穩(wěn)定。 （2）電流效率。犧牲陽(yáng)極的電流效率是指實(shí)際電容量與理論電容量的百分比，用%表示。工程要求犧牲陽(yáng)極具有較高的電流效率和較小的自腐蝕速度。,第六章 電化學(xué)保護(hù),6.3 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法,一、犧牲陽(yáng)極的性能及種類,（3）陽(yáng)極消耗率。犧牲陽(yáng)極的消耗率是單位電量所消耗的陽(yáng) 極質(zhì)量，單位是kgA-1h-1或者kgA-1a-1。對(duì)于犧牲陽(yáng)極來(lái)說(shuō)，實(shí)際測(cè)得的消耗單位質(zhì)量犧牲陽(yáng)極所產(chǎn)生的電量越大（Ahkg-1），則陽(yáng)極消耗率越小。 （4）腐蝕特征。犧牲陽(yáng)極的表面腐蝕特征是評(píng)定陽(yáng)極性能的

19、指標(biāo)之一。對(duì)于性能良好的陽(yáng)極，要求表面腐蝕均勻，無(wú)難溶的沉積物。陽(yáng)極使用壽命長(zhǎng)，不產(chǎn)生局部腐蝕脫落。犧牲陽(yáng)極本身的合金組織成分及熔煉鑄造工藝條件是決定陽(yáng)極腐蝕特征的重要因素。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2犧牲陽(yáng)極種類 目前常用犧牲陽(yáng)極的種類有鋅合金陽(yáng)極、鋁合金陽(yáng)極和鎂合金陽(yáng)極，另外還有錳合金陽(yáng)極和鐵合金陽(yáng)極。在海水中常用的犧牲陽(yáng)極為鋅合金陽(yáng)極和鋁合金陽(yáng)極。 1）鋅合金陽(yáng)極 鋅合金陽(yáng)極是使用較早且較普遍的一種陽(yáng)極。鋅陽(yáng)極的種類很多，有純鋅體系，Zn-Al系，Zn-Sn系，Zn-Hg系等等，但常用的鋅陽(yáng)極主要是純鋅系和Zn-Al-Cd系，這兩種陽(yáng)極的性能見表6-7。,第六章 電化學(xué)保護(hù),表6-7 鋅陽(yáng)極

20、的性能,第六章 電化學(xué)保護(hù),由于鋅陽(yáng)極本身含鐵量高，會(huì)造成陽(yáng)極表面溶解狀態(tài)不好，使得電流效率降低。20世紀(jì)60年代后，我國(guó)研制出三元鋅合金陽(yáng)極，并制定出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4950-85。其化學(xué)成分和電化學(xué)性能見表78。,由于三元鋅陽(yáng)極的電化學(xué)性能優(yōu)越，具有性能穩(wěn)定、電流效率高、溶解性能好、有自動(dòng)調(diào)節(jié)陽(yáng)極電流的能力，因而被廣泛用于船舶、海底管線、油艙、海水冷凝器及其它海上構(gòu)筑物。其缺點(diǎn)是對(duì)雜質(zhì)（銅和鐵）較敏感，有效電量小，實(shí)際消耗率大，使被保護(hù)體負(fù)荷較重，保護(hù)壽命短。,第六章 電化學(xué)保護(hù),表68 Zn-A1-Cd系合金的化學(xué)成分及鋅犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能,第六章 電化學(xué)保護(hù),2）鋁合金陽(yáng)極 鋁合金陽(yáng)極是

21、在鋅陽(yáng)極的基礎(chǔ)上，為了開發(fā)優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)壽命陽(yáng)極而研制的。自20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展。我國(guó)也形成三大系列，較常用的為Al-Zn-In系，其化學(xué)成分、電化學(xué)性能見表69。,鋁合金陽(yáng)極的特點(diǎn)是：理論發(fā)電量大，密度小，可以設(shè)計(jì)成長(zhǎng)壽命陽(yáng)極，重量輕，制造工藝簡(jiǎn)便，材料來(lái)源充足，電化學(xué)性能優(yōu)良，有自動(dòng)調(diào)節(jié)電流和電位的作用，被廣泛應(yīng)用于海上采油設(shè)備、海底管線、船舶、海上構(gòu)筑物、濱海電廠的海水系統(tǒng)。鋁陽(yáng)極的電流效率一般比鋅陽(yáng)極低，活化起動(dòng)性能和溶解性能比鋅陽(yáng)極差，而且不適于高電阻率介質(zhì)。 目前，鋁合金陽(yáng)極的發(fā)展向著提高電流效率，改善溶解性能，適于高電阻率介質(zhì)及高、低溫海水環(huán)境方向發(fā)展。例如，開發(fā)研制出熱海水陽(yáng)極

22、，半咸水陽(yáng)極及海泥中鋁陽(yáng)極。為了使海上輸油管得到有效的保護(hù)，還開發(fā)出手鐲式犧牲陽(yáng)極，使得鋁犧牲陽(yáng)極安裝更合理，發(fā)生電流盡可能滿足管道要求，以滿足所需要的保護(hù)壽命。,第六章 電化學(xué)保護(hù),表6-9 Al-Zn-In系合金的化學(xué)成分Al-Zn-In電化學(xué)性能,二、犧牲陽(yáng)極保護(hù)設(shè)計(jì),犧牲陽(yáng)極保護(hù)的效果主要取決于犧牲陽(yáng)極材料及合理的保護(hù)設(shè)計(jì)，其基本步驟如下： 1）收集設(shè)計(jì)參數(shù) 收集材質(zhì)、表面狀況、幾何形狀及有關(guān)環(huán)境資料；設(shè)定保護(hù)電流密度；了解保護(hù)面積及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；根據(jù)保護(hù)年限和所需保護(hù)電流計(jì)算犧牲陽(yáng)極的重量。 2）選擇犧牲陽(yáng)極材料及規(guī)格 根據(jù)保護(hù)年限及要求，選擇犧牲陽(yáng)極材料（如鋅陽(yáng)極或鋁陽(yáng)極），根據(jù)安裝要

23、求、結(jié)構(gòu)條件和保護(hù)電流，選擇犧牲陽(yáng)極的布設(shè)位置和間距，并確定陽(yáng)極的尺寸及規(guī)格。 3）計(jì)算陽(yáng)極數(shù)量的驗(yàn)算 根據(jù)總的防蝕面積和防蝕電流，計(jì)算得陽(yáng)極重量和數(shù)量，并需再行驗(yàn)算。,第六章 電化學(xué)保護(hù),第六章 電化學(xué)保護(hù),第六章 電化學(xué)保護(hù),第六章 電化學(xué)保護(hù),三、應(yīng)用舉例,1海水管道 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及淡水資源的缺乏，利用海水作為冷卻水的發(fā)電廠已成為能源部門的發(fā)展方向。目前，我國(guó)已相繼建設(shè)了幾十座濱海電廠，因此，海水對(duì)輸水管道的腐蝕成為濱海電廠急需解決的問(wèn)題。由于海水的強(qiáng)腐蝕性和具體情況的不同，對(duì)于海水管道的防腐蝕需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及相應(yīng)設(shè)計(jì)。 1）犧牲陽(yáng)極保護(hù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作 在對(duì)電廠海水冷卻管道進(jìn)

24、行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)以前，需收集以下資料和數(shù)據(jù)。 （1）海水水溫、鹽度及其變化，以及含氧量與電阻率等。 （2）海水流速及海生物附著情況。 （3）管道材質(zhì)、表面狀況、幾何形狀、面積及結(jié)構(gòu)。 （4）涂層種類和狀況。 （5）設(shè)備的維修周期。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2）陰極保護(hù)設(shè)計(jì) 例如某濱海電廠處于亞熱帶，裝機(jī)容量為6600MW，冷卻水為一次性海水，管道由直徑3040mm，每節(jié)長(zhǎng)度6m的A3鋼管焊接而成。 （1）設(shè)計(jì)參數(shù)（以每節(jié)長(zhǎng)度6m計(jì)） 海水管道內(nèi)徑：3000mm； 每節(jié)管道長(zhǎng)度：6m； 海水電阻率：30cm； 設(shè)計(jì)溫度：1032； 設(shè)計(jì)壽命：15a； 陽(yáng)極類型：長(zhǎng)條型支架陽(yáng)極； 陽(yáng)極化學(xué)成分：Al-Z

25、n（2.5%4.5%）-In（0.03%0.04%）-Cd（0.0l%0.02%）； 陽(yáng)極在海水中的開路電位：1.101.18V（VsAgAgCl）； 陽(yáng)極在海水中的工作電位：1.05V（vsAgAgCl）； 陽(yáng)極在海水中的電流效率：85%； 陽(yáng)極在海水中的消耗率：3.8kgA-1a-1； 實(shí)際發(fā)電量：0.263Aakg-1； 陽(yáng)極在涂漆管道上的保護(hù)電流密度：30mAm-2； 保護(hù)電位變化范圍：0.850.95V（vsSCE）。,第六章 電化學(xué)保護(hù),（2）陽(yáng)極設(shè)計(jì) a保護(hù)面積：S3 m6 m56.52 m2； b總保護(hù)電流：IiS 30mA56.521695.6 mA； c根據(jù)保護(hù)年限15a，

26、可計(jì)算所需陽(yáng)極總重量為： W= aI0.263113.8kg（0.85） d選用長(zhǎng)條狀陽(yáng)極（115+85）mm800mm80mm，則陽(yáng)極發(fā)生電流為IaE/R，這里鋁陽(yáng)極的E0.30V，依據(jù)公式，其中rC25.72，則R為0.18，計(jì)算Ia0.300.181.67（A）。因?yàn)镮aI，則選用每塊18kg的陽(yáng)極，需要NGGl113.8186.36塊。 （3）陽(yáng)極安裝 為了使電流分布均勻，采用對(duì)稱安裝方式，因每段管道長(zhǎng)6m，焊接處需適當(dāng)加強(qiáng)保護(hù)，故選定在每段管道水平中線兩側(cè)的中部和距兩管端1m處各放置一塊陽(yáng)極，整個(gè)管道內(nèi)的陽(yáng)極對(duì)稱排列。,第六章 電化學(xué)保護(hù),鋁合金陽(yáng)極電化學(xué)性能,鋁陽(yáng)極按形狀分類,海洋

27、工程設(shè)施用鋁陽(yáng)極結(jié)構(gòu)圖,三、應(yīng)用舉例,2船舶 某艦艇船體為碳鋼CT4焊接而成，涂六道瀝青系油漆，有推進(jìn)器3只，材料為錳青銅，舵板1只，進(jìn)塢周期為L(zhǎng)5a。 1）浸水面積 艇殼水下面積：Sn341 m2； 推進(jìn)器表面積：Sd4.2 m2； 舵板表面積： Sp4.5 m2。 2）保護(hù)參數(shù)選擇 艇殼保護(hù)電流密度：in4 mAm-2； 推進(jìn)器保護(hù)電流密度：id150 mAm-2； 舵板保護(hù)電流密度：ip25 mAm-2。,第六章 電化學(xué)保護(hù),3）犧牲陽(yáng)極數(shù)量計(jì)算 船體水下各部位所需的保護(hù)電流值分別為： InSnin13864 mA； IdIdid630 mA； IpSpip112.5 mA。 采用鋅-鋁

28、-鎘合金犧牲陽(yáng)極（250mm100mm35mm），每塊陽(yáng)極發(fā)生電流量為I發(fā)170 mA，則該艇各部位所需陽(yáng)極塊數(shù)分別為： 艇殼： InI發(fā)8.02，取8塊； 推進(jìn)器：IdI發(fā)3.71，取4塊； 舵： IpI發(fā)0.66，取l塊。,第六章 電化學(xué)保護(hù),6.4 外加電流陰極保護(hù)法,一、外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn),外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)是將外設(shè)直流電源的負(fù)極接被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)，正極接安裝在金屬結(jié)構(gòu)防腐一側(cè)的外部并與其絕緣的輔助陽(yáng)極。電路接通后，電流從輔助陽(yáng)極經(jīng)海水至金屬結(jié)構(gòu)形成回路，金屬結(jié)構(gòu)陰極極化得到保護(hù)。其特點(diǎn)為： （1）可隨外界條件（如海區(qū)、流速、溫度等）引起的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)電流，使被保護(hù)部分的電位控制

29、在預(yù)置最佳保護(hù)電位范圍內(nèi)。 （2）保護(hù)周期長(zhǎng)，采用不溶性高效輔助陽(yáng)極，使用壽命可達(dá)1020a。 （3）輔助陽(yáng)極排流量大，作用半徑大，可以保護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面積較大的設(shè)備及港工建筑與地下管道等。,第六章 電化學(xué)保護(hù),二、外加電流保護(hù)系統(tǒng)的組成,外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由輔助陽(yáng)極、參比電極、陽(yáng)極屏蔽層和直流電源等四部分組成。 1輔助陽(yáng)極材料 在外加電流保護(hù)系統(tǒng)中與直流電源正極連接的外設(shè)電極稱之為輔助陽(yáng)極，其作用是使電流從電極經(jīng)介質(zhì)到被保護(hù)體表面。輔助陽(yáng)極材料的電化學(xué)性能、機(jī)械性能、工藝性能及結(jié)構(gòu)形狀、大小、分布與安裝等對(duì)其壽命和保護(hù)效果都有影響。理想的陽(yáng)極材料應(yīng)具有下列性能： （1）導(dǎo)電性能好，陽(yáng)極極化小

30、，表面電阻?。?（2）排流量大； （3）耐腐蝕，消耗量小，壽命長(zhǎng)； （4）材料應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，耐磨損，并耐沖擊和振動(dòng)； （5）機(jī)械加工性能好，易于加工成各種形狀； （6）材料易獲得，價(jià)格相對(duì)便宜。,第六章 電化學(xué)保護(hù),表610 輔助陽(yáng)極性能,常用輔助陽(yáng)極材料的性 能示于表610。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2參比電極 在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，參比電極被用來(lái)測(cè)量被保護(hù)體的電位，并向控制系統(tǒng)傳遞信號(hào)，以便調(diào)節(jié)保護(hù)電流的大小，使結(jié)構(gòu)的電位處于給定范圍。 參比電極應(yīng)具有下列性能： （1）在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，參比電極應(yīng)保持電位穩(wěn)定，重現(xiàn)性好； （2）參比電極應(yīng)允許通過(guò)微量電流，且不產(chǎn)生嚴(yán)重極化； （3）

31、參比電極的使用壽命要長(zhǎng)； （4）受外界溫度及環(huán)境條件影響要小，溫度系數(shù)要小； （5）有一定的機(jī)械強(qiáng)度，耐海水沖刷，耐磨損，便于安裝。,第六章 電化學(xué)保護(hù),常用參比電極性能見表611。,表611 25海水中常用參比電極性能,第六章 電化學(xué)保護(hù),參比電極電位與鋼的保護(hù)電位的關(guān)系是，無(wú)論采用何種參比電圾，對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)，只要使鋼的自然腐蝕電位向負(fù)方向移動(dòng)200300mV，便為保護(hù)電位范圍。在表74中，已列出不同參比電極對(duì)鋼的保護(hù)電位值。 通過(guò)大量的試驗(yàn)得出下列結(jié)論，即在陰極保護(hù)系統(tǒng)中，將鋼的保護(hù)電位規(guī)定在以下的范圍內(nèi)保護(hù)效果為最佳，相對(duì)銀/氯化銀電極，鋼的保護(hù)范圍是0.801.00V；相對(duì)銅飽和硫酸銅電

32、極，鋼的保護(hù)范圍是0.851.05V；相對(duì)鋅參比電極，鋼的保護(hù)電位是+0.23+0.03V。如果鋼的保護(hù)電位不在以上范圍，則會(huì)發(fā)生欠保護(hù)或過(guò)保護(hù)現(xiàn)象。,第六章 電化學(xué)保護(hù),3陽(yáng)極屏蔽層 在外加電流系統(tǒng)工作時(shí)，從陽(yáng)極排出較大的電流，陽(yáng)極周圍被保護(hù)結(jié)構(gòu)的電位會(huì)很負(fù)，以致產(chǎn)生析氫現(xiàn)象，使附近的涂層破壞，降低保護(hù)效果。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，并擴(kuò)大電流的分布范圍，以確保陰極保護(hù)效果，需在輔助陽(yáng)極周圍涂裝絕緣屏蔽層。 一般對(duì)陽(yáng)極屏蔽材料的性能要求如下： （1）有較高的粘附性和韌性，能耐海水沖擊； （2）耐海水、耐堿、特別是耐氯氣性能好； （3）絕緣性能好； （4）使用壽命長(zhǎng)； （5）工藝性能好，施工簡(jiǎn)單，原

33、料易得。 常用的陽(yáng)極屏蔽材料有三類： （1）涂層：環(huán)氧瀝青系涂料、氯丁橡膠和玻璃鋼涂料； （2）薄板：聚四氟乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯等薄板； （3）覆蓋絕緣層的金屬板。,第六章 電化學(xué)保護(hù),4供電電源 在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中所使用的供電電源有恒電位儀、整流器、直流發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池等，比較常用的為恒電位儀。防腐工程中對(duì)于恒電位儀性能要求如下： （1）根據(jù)參比電極提供的信號(hào)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)保護(hù)電流，使被保護(hù)體始終處于預(yù)定保護(hù)電位范圍內(nèi)； （2）電位控制誤差0.01V； （3）給定電位范圍1.50V，0+1.5V，連續(xù)可調(diào)； （4）輸入阻抗1Mn； （5）紋波電壓不大于自定義輸出直流電壓的5%； （6

34、）具有限流或過(guò)流保護(hù)裝置，過(guò)欠保護(hù)電位的顯示報(bào)警及斷電報(bào)警裝置； （7）絕緣電阻（冷態(tài)），對(duì)標(biāo)稱電壓至60V的儀器，對(duì)地絕緣電阻不小于10M，對(duì)標(biāo)稱電源電壓大于60V的儀器，對(duì)地絕緣電阻不小于100M； （8）穩(wěn)態(tài)時(shí)參數(shù)正常工作，瞬態(tài)時(shí)能可靠工作。,第六章 電化學(xué)保護(hù),表6-12 恒電位儀的種類及特點(diǎn),恒電位儀的種類及特點(diǎn)見表612。,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),1. 保護(hù)參數(shù)的選擇 各種不同的金屬材料在海水中、有不同的腐蝕電位和保護(hù)電流密度，在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中必須正確選擇這些參數(shù)。不同的金屬或合金都有一定的保護(hù)電位范圍，對(duì)于港工設(shè)施和近海平臺(tái)、船舶等，其主要結(jié)構(gòu)材料是鋼，

35、在海水中的最佳保護(hù)范圍應(yīng)控制在0.801.00V（vsAgAgCl）。 保護(hù)電流密度的確定與鋼材本身的性質(zhì)及其他因素均有關(guān)系，如海水狀況，地理?xiàng)l件和涂層情況等，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2設(shè)計(jì)步驟 （1）了解被陽(yáng)極保護(hù)部分的基本設(shè)施參數(shù)和有關(guān)圖紙資料，如材質(zhì)、表面狀況（涂層）、尺寸、水下面積、結(jié)構(gòu)電連接等。 （2）了解所在海區(qū)的環(huán)境條件及海水狀況、含氧量、濕度、鹽度、潮汐、電阻率和流速等，以便選擇合適電流密度。 （3）根據(jù)各部分（或不同材質(zhì)）所要保護(hù)的面積和保護(hù)電流密度，計(jì)算總的保護(hù)電流量。 （4）根據(jù)被保護(hù)物的結(jié)構(gòu)尺寸、保護(hù)年限和所需總保護(hù)電流，選用適當(dāng)?shù)碾娫丛O(shè)備、輔助陽(yáng)

36、極材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和數(shù)量，以及參比電極的類型、結(jié)構(gòu)和數(shù)量。 （5）根據(jù)被保護(hù)物的結(jié)構(gòu)情況和輔助陽(yáng)極的保護(hù)范圍，確定輔助陽(yáng)極和參比電極的布置。 （6）如果要涂刷陽(yáng)極屏蔽層，可根據(jù)海水電阻率與輔助陽(yáng)極最大排流量，結(jié)合實(shí)用要求，選用一定的屏蔽層材料并計(jì)算出陽(yáng)極屏尺寸。,第六章 電化學(xué)保護(hù),四、應(yīng)用舉例,1）保護(hù)面積 泵殼內(nèi)表面面積：40 m2； 葉輪表面積：15 m2； 泵軸保護(hù)面積：8m2。 2）保護(hù)參數(shù)選擇 葉輪的保護(hù)電流密度：0.6Am-2； 泵軸及泵殼的保護(hù)電流密度：0.2Am-2； 總電流為：18.6A。,1. 循環(huán)水泵 某濱海電廠循環(huán)水泵為4臺(tái)72LKXA-17.5型的立式混流泵，內(nèi)腔采

37、用外加電流陰極保護(hù)方法，保護(hù)年限為10a。按照每臺(tái)水泵計(jì)算如下：,第六章 電化學(xué)保護(hù),3）設(shè)計(jì) 輔助陽(yáng)極選用鍍鉑鈦圓盤狀陽(yáng)極5只，適用的工作電流密度為2.507.50Adm-2。每個(gè)輔助陽(yáng)極表面積為100cm2，使用電流為3.72Adm-2，鉑層厚度為10m。 參比電極采用AgAgCl電極，每臺(tái)泵內(nèi)設(shè)置兩只。 恒電位儀采用24V36A可控硅型，每臺(tái)泵設(shè)置1臺(tái)。,四、應(yīng)用舉例,第六章 電化學(xué)保護(hù),1. 循環(huán)水泵 某濱海電廠循環(huán)水泵為4臺(tái)72LKXA-17.5型的立式混流泵，內(nèi)腔采用外加電流陰極保護(hù)方法，保護(hù)年限為10a。按照每臺(tái)水泵計(jì)算如下：,2海水熱交換器設(shè)備 沿海電廠、石化廠等海水冷卻系統(tǒng)的

38、腐蝕比較嚴(yán)重，各種類型 的海水熱交換器都采用陰極保護(hù)和涂層聯(lián)合保護(hù)的方法。 1）鋼冷卻器被保護(hù)面積 水室2個(gè)，面積為20m2；管線68mm，長(zhǎng)7.3m，共384根，因受保護(hù)面積限于管端長(zhǎng)度為14，則S1420.203m2，則總面積約為78 m2。 2）保護(hù)電流密度 水室100 mAm-2；管內(nèi)50 mAm-2。 3）所需保護(hù)電流：5.9A 設(shè)計(jì)選用14V12A恒電位儀一臺(tái)，鉛銀合金輔助陽(yáng)極2只，鋅參比電極1只。,四、應(yīng)用舉例,第六章 電化學(xué)保護(hù),6.5 陰極保護(hù)新進(jìn)展,一、犧牲陽(yáng)極的發(fā)展,隨著陰極保護(hù)技術(shù)的普及，對(duì)于犧牲陽(yáng)極來(lái)說(shuō)，人們對(duì)此有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。目前，犧牲陽(yáng)極的實(shí)用配方已經(jīng)基本定型

39、和標(biāo)準(zhǔn)化，但開發(fā)高效、耐用、經(jīng)濟(jì)的犧牲陽(yáng)極則成為犧牲陽(yáng)極材料的發(fā)展方向，其中又以鋁合金陽(yáng)極的性能研究及開發(fā)最為突出。 此外與熱油輸送管道保護(hù)有關(guān)的高溫陽(yáng)極也成為發(fā)展方向。在犧牲陽(yáng)極機(jī)理研究方面，對(duì)于鋁合金陽(yáng)極中銦、汞等元素的活化作用機(jī)理，鋁基犧牲陽(yáng)極的溶解過(guò)程和負(fù)差異效應(yīng)，鋅陽(yáng)極晶間腐蝕的原因和對(duì)策以及探索用工業(yè)純?cè)洗娓呒冊(cè)现圃鞝奚?yáng)極等方面都有不同的進(jìn)展。 在生產(chǎn)工藝及成型方面，通過(guò)對(duì)鑄造過(guò)程中的熱處理及改變陽(yáng)極的常規(guī)形狀，以提高電化學(xué)效率及改變?cè)瓉?lái)單調(diào)的外形，滿足陰極保護(hù)多樣化的發(fā)展，如用于管線的手鐲式陽(yáng)極、用于保護(hù)管線的帶狀陽(yáng)極及小尺寸的棒狀陽(yáng)極等。,第六章 電化學(xué)保護(hù),二、外加電

40、流陰極保護(hù)的發(fā)展,外加電流中使用的輔助陽(yáng)極材料，由最普遍的石墨和高硅鑄鐵發(fā)展到鍍鉑鈦、鍍鉑鉭和鉛銀陽(yáng)極。最近國(guó)內(nèi)外使用貴金屬包覆陽(yáng)極的趨勢(shì)在增大，如鉑鈮絲、鉑鉭絲等。此外，陽(yáng)極形式也發(fā)生了變化，如LIDA陽(yáng)極，它們單個(gè)陽(yáng)極用導(dǎo)線連成一串，在析氯環(huán)境（海水）或析氧（土壤或淡水）環(huán)境中使用。 在對(duì)混凝土鋼筋實(shí)施陰極保護(hù)時(shí)，可采用以下陽(yáng)極，其一是網(wǎng)狀輔助陽(yáng)極，即在金屬鈦網(wǎng)上涂以混合金屬氧化物。其二是導(dǎo)電混凝土，即用導(dǎo)電材料全部或部分代替混凝土中的骨料，依靠這些導(dǎo)電組分間緊密接觸而導(dǎo)電。其三是柔性陽(yáng)極，它可以改變普通輔助陽(yáng)極導(dǎo)電均勻性差，易受介質(zhì)電阻率影響的缺點(diǎn)，可在更復(fù)雜的場(chǎng)合下使用。 參比電極的精

41、度及使用壽命關(guān)系到參比電極的好壞，目前長(zhǎng)效參比電極（壽命510年）的發(fā)展及高純鎂電極和鉬氧化鉬電極都得到了應(yīng)用。,第六章 電化學(xué)保護(hù),三、陰極保護(hù)的發(fā)展方向,電化學(xué)陰極保護(hù)在海水及土壤環(huán)境中，如艦艇、鋼結(jié)構(gòu)物、油氣輸送管道等方面基本上還采用經(jīng)典或半經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)方法，今后在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面會(huì)有較大的發(fā)展。,第六章 電化學(xué)保護(hù),1陰極保護(hù)工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專家?guī)煜到y(tǒng) 采用計(jì)算機(jī)技術(shù)專門進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，分為常規(guī)法和現(xiàn)代法。 常規(guī)法是采用演習(xí)已久的陽(yáng)極計(jì)劃設(shè)計(jì)思想、歐姆定律和法拉第定律對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是有著近半個(gè)世紀(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，仍是現(xiàn)階段通用的國(guó)際

42、陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要手段。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)思想單一，對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的發(fā)展態(tài)式無(wú)能為力。不能動(dòng)態(tài)地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。,第六章 電化學(xué)保護(hù),現(xiàn)代法是采用有限差分法、有效元法和邊界元法等數(shù)值分析方法對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是計(jì)算機(jī)計(jì)算：有著良好的應(yīng)用前景，缺點(diǎn)是對(duì)邊界條件要求苛刻，邊界條件試驗(yàn)準(zhǔn)確性直接影響到設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，否則結(jié)果將具有很大的偏差。 無(wú)論是常規(guī)設(shè)計(jì)法還是現(xiàn)代設(shè)計(jì)法并不是矛盾對(duì)立的，而是相輔相成的。只有將兩種方法有效的結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，才能對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，這也是今后的發(fā)展方向。,第六章 電化學(xué)保護(hù),陰極保護(hù)專家?guī)煜到y(tǒng)是陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)管理的一個(gè)應(yīng)用方

43、面，它是基于知識(shí)庫(kù)和專家推理機(jī)制而發(fā)展的一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)于不熟悉陰極保護(hù)的人來(lái)說(shuō)非常有用，也是屬于腐蝕保護(hù)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理的應(yīng)用方面之一。 數(shù)據(jù)庫(kù)是腐蝕與防護(hù)學(xué)科的一個(gè)重要組成部分，是幾年、幾十年的數(shù)據(jù)積累，在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中占有重要的地位，隨著關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)已脫離了冗余計(jì)算等繁瑣的過(guò)程，多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)的編制已成為當(dāng)今的時(shí)尚。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2. 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中的數(shù)值計(jì)算方法 1）傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)與數(shù)值技術(shù)的發(fā)展 在傳統(tǒng)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，犧牲陽(yáng)極或外加電流系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極在保護(hù)系統(tǒng)中的位置主要是根據(jù)工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，以直觀的方式確定的。 對(duì)于簡(jiǎn)單的海洋結(jié)構(gòu)，直觀的

44、設(shè)計(jì)是可以滿足設(shè)計(jì)要求的，但對(duì)于復(fù)雜的深水平臺(tái)，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件上保護(hù)電位的分布不均勻，有些構(gòu)件可能形成過(guò)保護(hù)，析氫并破壞構(gòu)件表面涂層，對(duì)于高強(qiáng)度材料甚至造成氫脆。同時(shí)，另一些構(gòu)件則可能由于保護(hù)不足而發(fā)生各種腐蝕。對(duì)于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的深水導(dǎo)管架，構(gòu)件間的相互屏蔽作用比較嚴(yán)重，采用經(jīng)驗(yàn)方法更難使保護(hù)電流達(dá)到均勻分布，特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)處。,第六章 電化學(xué)保護(hù),在傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，各種環(huán)境數(shù)據(jù)，如海水流速、水溫、溶解氧含量等參數(shù)，在設(shè)計(jì)中只能定性參考，不能實(shí)際應(yīng)用于陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算中去，這是造成傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)于保守的重要因素。陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的電阻為RRa+ Rc + Rm，其

45、中Ra是陽(yáng)極與海水間的電阻，可采用Dwight和Sunde方程計(jì)算；Rc是陰極與海水間的電阻；Rm為陰極與陽(yáng)極間的金屬電阻。傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中同時(shí)忽略了Rc和Rm，但有明顯的跡象表明，海洋結(jié)構(gòu)中的Rc是應(yīng)該加以考慮的，在某些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處如導(dǎo)管、樁袖處Rc的值可能相當(dāng)高。 在環(huán)境惡劣的海域，傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的海洋結(jié)構(gòu)保護(hù)明顯不足，例如在英國(guó)的北海油田進(jìn)行的一次海地管線調(diào)查表明，傳統(tǒng)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)不能使海地管線計(jì)劃到滿意的保護(hù)電位，與新的設(shè)計(jì)結(jié)果相差很大。新的設(shè)計(jì)使手鐲式犧牲陽(yáng)極的間隔從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的500m減至120m，而把原來(lái)的陽(yáng)極與陰極的面積比由1:632降至1:222，可見傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在惡劣海域的局

46、限性。,第六章 電化學(xué)保護(hù),由于開發(fā)海域的逐漸加深及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，特別是深水張力腿式平臺(tái)，深達(dá)幾千英尺，使得深水平臺(tái)的造價(jià)大幅度增加，高達(dá)幾千萬(wàn)美元。對(duì)于一個(gè)使用壽命為2040a的平臺(tái)，如果采用新的設(shè)計(jì)方法可節(jié)省39%的犧牲陽(yáng)極重量，對(duì)于一個(gè)大型深水平臺(tái)，如果采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，就意味著將有幾百噸鋁合金被白白浪費(fèi)了，并且由于過(guò)多使用犧牲陽(yáng)極而造成的平臺(tái)載荷增加會(huì)影響平臺(tái)穩(wěn)定性，從而使導(dǎo)管架設(shè)計(jì)強(qiáng)度增加，由此造成的浪費(fèi)也是很大的。 在過(guò)去十幾年中，隨著計(jì)算機(jī)的普及，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)采用數(shù)值技術(shù)設(shè)計(jì)陰極保護(hù)系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，這種趨勢(shì)和世界范圍內(nèi)在更深海域的石油鉆探和生產(chǎn)活動(dòng)有關(guān)，一些大型

47、海洋結(jié)構(gòu)的尺寸和復(fù)雜性都達(dá)到了空前的程度，因此，就要求有一種更完美、更可靠的方法來(lái)設(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)系統(tǒng)。,第六章 電化學(xué)保護(hù),20世紀(jì)80年代初，美國(guó)首先將數(shù)值技術(shù)用于海洋采油平臺(tái)的電位分布預(yù)測(cè)和陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，并取得了很大成功。這充分顯示了數(shù)值技術(shù)在海洋平臺(tái)陰極保護(hù)電位分布場(chǎng)研究中的優(yōu)越性。 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算其基本原理就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，預(yù)先確定各種陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行陰極保護(hù)電位分布場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，求出在這個(gè)方案中的保護(hù)電位場(chǎng)，利用計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)功能進(jìn)行修改、調(diào)整及優(yōu)化。與傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)相比，數(shù)值技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：,第六章 電化學(xué)保護(hù),（1）平臺(tái)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中利用

48、數(shù)值方法，可以同時(shí)進(jìn)行多種設(shè)計(jì)方案及其電位分布的預(yù)測(cè)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免保護(hù)不足和過(guò)保護(hù)現(xiàn)象，如果給定迭代精度，也可以確定陽(yáng)極的合理布置方案，以確保電位場(chǎng)的均勻性； （2）根據(jù)電位分布及等位線圖，可以預(yù)測(cè)腐蝕情況和進(jìn)行實(shí)時(shí)腐蝕速度檢測(cè)，從而改善對(duì)平臺(tái)保護(hù)系統(tǒng)的管理； （3）對(duì)各種環(huán)境參數(shù)及保護(hù)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，使設(shè)計(jì)方案最佳化，大幅度降低工程造價(jià)和減少犧牲陽(yáng)極用量； （4）由于采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，使原來(lái)需要幾個(gè)星期的設(shè)計(jì)工作在很短時(shí)間內(nèi)完成，大大提高了工作效率。,第六章 電化學(xué)保護(hù),2）數(shù)值技術(shù)在海洋結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 一個(gè)復(fù)雜的海洋平臺(tái)陰極保護(hù)所形成的電位場(chǎng)是與許多空

49、間不對(duì)稱的陽(yáng)極-陰極位置有關(guān)的，他們互相干擾，互相評(píng)比，陰極的極化行為受到海水電阻率、流速、溶解氧含量、表面狀態(tài)及陰極極化史的影響，這么多影響因素的綜合作用，只有采用數(shù)值技術(shù)才能較好地加以考慮。 數(shù)值技術(shù)根據(jù)能量守恒原理來(lái)確定電位場(chǎng)中電位的強(qiáng)度及分布，采用適當(dāng)?shù)哪芰科胶饽Ｐ秃瓦吔鐥l件，計(jì)算整個(gè)數(shù)值模型中能量最小條件下的電位梯度和每個(gè)元素中維持這個(gè)最小能量平衡所需要的電流，這就是數(shù)值技術(shù)求解陰極保護(hù)電位分布場(chǎng)的基本原理。 雖然陰極保護(hù)電位場(chǎng)問(wèn)題的支配方程為L(zhǎng)aplace方程： V2E0,第六章 電化學(xué)保護(hù),但具體的數(shù)值解法不盡一樣，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，這就是近年來(lái)在海洋結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中受到重視的有限

50、差分法、有限元素法和邊界元素法。 （1）有限差分法（FDM） 有限差分法在腐蝕領(lǐng)域的首次應(yīng)用是在1964年由Klingen和Fleck進(jìn)行的，但一直沒有受到重視。這種方法是復(fù)雜邊值問(wèn)題的近似離散方法，它被應(yīng)用于腐蝕電化學(xué)系統(tǒng)的理論處理，并在海洋工程陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)檢測(cè)中得到應(yīng)用，如對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電位測(cè)量，電場(chǎng)強(qiáng)度分析，電流密度和電位監(jiān)測(cè)。在工業(yè)設(shè)備中，有限差分法還被應(yīng)用于大型換熱器陰極保護(hù)的電位場(chǎng)分布計(jì)算，通過(guò)計(jì)算確定犧牲陽(yáng)極的最佳布置。 Munn使用有限差分法解Poisson方程計(jì)算電位分布，計(jì)算結(jié)果用來(lái)顯示指定點(diǎn)電位的變化，這個(gè)程序可在微型機(jī)上運(yùn)行，通過(guò)迭代法解方程組收斂很快。另外，也可

51、用于非均勻電解質(zhì)電導(dǎo)率體系，如具有不同電導(dǎo)率的多層電解質(zhì)體系和具有不同線性梯度的體系。下面是Munn用有限差分法計(jì)算兩個(gè)陰極保護(hù)體系的實(shí)例。,第六章 電化學(xué)保護(hù),第一個(gè)實(shí)例為一個(gè)垂直立于海水中的柱件，直徑30.5cm，在海水中深30.5m由于海水電導(dǎo)率從表層到底層稍有變化，所以取電導(dǎo)率范圍從0.04Scm-1到0.035Scm-1，使用單個(gè)Zn犧牲陽(yáng)極焊在水面下3.05m處，Zn陽(yáng)極的電位為一1005mV（Vs.Ag/AgCl）。 第二個(gè)實(shí)例為一個(gè)二維海水介質(zhì)陰極保護(hù)的例子。保護(hù)的海水罐是用來(lái)養(yǎng)海生物以供實(shí)驗(yàn)研究的，罐中有兩根6 in銅管，銅管中通熱水以提高水溫，由于銅管和罐體構(gòu)成電偶腐蝕，所

52、以陰極保護(hù)的問(wèn)題是如何布置Zn陽(yáng)極，以達(dá)到最佳保護(hù)效果。 保護(hù)前罐體由于與銅管形成電偶腐蝕，腐蝕電位高達(dá)550mV（vs.Ag/AgCl），經(jīng)過(guò)陰極保護(hù)，電位場(chǎng)等位線的最高腐蝕電位為770mV（vs.Ag/AgCl）。罐體使用多年，保護(hù)效果很好。用有限差分法解Laplace方程，首先要用二階差商近似的代替偏微分方程中的二階偏微分，從而使方程變?yōu)椴罘中问健?第六章 電化學(xué)保護(hù),第六章 電化學(xué)保護(hù),第六章 電化學(xué)保護(hù),（2）有限元素法（FEM） 有限元素法最初用于航空及航天結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析，是目前認(rèn)識(shí)應(yīng)力應(yīng)變分析的重要方法。同時(shí)，因?yàn)橛邢拊胤ㄊ墙饽芰渴睾泐愇锢韱?wèn)題的有力數(shù)值工具，所以在傳熱及連

53、續(xù)介質(zhì)場(chǎng)問(wèn)題中得到應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來(lái)，這個(gè)方法被應(yīng)用于許多電偶腐蝕研究和陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，Munn介紹了有限元素法用于解電位分布和在電解質(zhì)中多個(gè)金屬系統(tǒng)中的電力線分布問(wèn)題，可以處理不規(guī)則幾何形狀和非線性極化行為。 Locheed采用了一個(gè)通用有限元程序NASTRAN來(lái)分析包括靜電場(chǎng)及陰極保護(hù)電位場(chǎng)的問(wèn)題，這個(gè)程序使用能量守恒原理來(lái)確定能量場(chǎng)的強(qiáng)度及分布，計(jì)算了每個(gè)電解質(zhì)元素中維持最小能量平衡所需要的電流。進(jìn)入陽(yáng)極元素的能量應(yīng)與離開陰極元素的能量相等，這個(gè)程序可以考慮節(jié)點(diǎn)或其他臨界區(qū)的屏蔽作用，以及與時(shí)間相關(guān)的極化行為。,第六章 電化學(xué)保護(hù),第二個(gè)通用的有限元程序是由Casper和Apri

54、l在1983年提出的，可以用來(lái)計(jì)算電流場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度、電位分布等場(chǎng)問(wèn)題。 另外，還應(yīng)用FEM法設(shè)計(jì)和改進(jìn)了海水罐內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)，原系統(tǒng)用了5個(gè)Zn陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù)，由于按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)而引起過(guò)保護(hù)，使罐內(nèi)涂層脫落，使用FEM設(shè)計(jì)后，用了5個(gè)Zn陽(yáng)極，即達(dá)到滿意的保護(hù)效果。 Alben W.Forrest和John W.Fu等人介紹了有限元素法在銅圓環(huán)腐蝕電池系統(tǒng)中的模型及實(shí)測(cè)的結(jié)果。除了在海洋工程腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用外，有限元素法還被應(yīng)用于隙縫腐蝕和點(diǎn)蝕擴(kuò)展機(jī)制的研究中。 有限元素法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分法，把陰極保護(hù)電位分布場(chǎng)的支配方程Laplace方程經(jīng)過(guò)變分，歸結(jié)為多元函數(shù)的求極值，最終化為求解線性代數(shù)

55、方程組，從而可以得到滿足給定場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)值解。這種很有規(guī)則的方法容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，且易于適應(yīng)幾何形狀復(fù)雜的區(qū)域邊界，比有限差分法更靈活。,第六章 電化學(xué)保護(hù),解一個(gè)具體的陰極保護(hù)電位場(chǎng)，首先要對(duì)場(chǎng)變量進(jìn)行離散，即剖分為有限個(gè)元素，如果使用線性有限元，則在每一個(gè)元素上場(chǎng)變量是線性變化的，選擇這樣的插值函數(shù)比較簡(jiǎn)單，對(duì)一般場(chǎng)問(wèn)題都能得到足夠精確的解。有限元素法的優(yōu)點(diǎn)是可以采用不同大小的元素來(lái)離散求解區(qū)域，在電位梯度大的區(qū)域可以使用較小的元素，而在電位梯度小的地方，使用較大的元素。這樣，可在不增加節(jié)點(diǎn)和元素?cái)?shù)量的前提下，提高計(jì)算精度，降低對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間的要求。 有限元素法的元素形狀很靈活，在二維問(wèn)

56、題中，可采用三角形，矩形，等參數(shù)四邊形等許多種元素。有限元素法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是充分估計(jì)了元素對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的作用，由于每個(gè)元素劃分得足夠小，這樣我們可以把其中的變量近似的看做線性分布。在海上平臺(tái)的電位分布計(jì)算中，只要?jiǎng)澐值贸浞中?，誤差不會(huì)很大。,第六章 電化學(xué)保護(hù),（3）邊界元素法（BEM） 邊界元素法是由J.W.Fu，S.K.Chow和D.J.Danson以及M.A.Warne在1982年提出的一種有效的計(jì)算陰極保護(hù)電位的方法。邊界元素法的主要優(yōu)點(diǎn)是只需對(duì)腐蝕體系中的陰極表面進(jìn)行離散剖分。由于不同剖分電解質(zhì)區(qū)域，故大大減少了元素和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。在數(shù)學(xué)上，邊界元素法通過(guò)Green定理得到，Green定

57、理指出，如果電中性條件存在于均勻介質(zhì)中，包圍這種介質(zhì)的曲面的電位分布一定滿足Green公式，這種曲面電位分布的規(guī)律是均勻體的性質(zhì)。雖然在物理意義上邊界元素法很抽象，然而Green定理已在許多應(yīng)用中得到證明，在用有限元素法計(jì)算過(guò)銅環(huán)陰極保護(hù)系統(tǒng)中的電位分布后，John W.Fu和Jimmy.S.Kchow又采用邊界元素法進(jìn)行了計(jì)算，效果也很好，三維曲面的Green公式為：,第六章 電化學(xué)保護(hù),其中p，q是陰極表面上的點(diǎn)，rp,q為此兩點(diǎn)間的距離，nq為垂直陰極表面的單位向量，上面的方程是對(duì)包圍著介質(zhì)的封閉曲面的積分。在二維空間，介質(zhì)被約束在一條封閉的曲面內(nèi)，公式為：,I 為包圍介質(zhì)的曲線。 由以

58、上方程可以看出，均勻介質(zhì)中任何一點(diǎn)的電位都與整個(gè)曲面上的電位分布有關(guān)，這就是P點(diǎn)在曲面上的情況。如果P點(diǎn)在介質(zhì)中，上面的方程要除2。例如，P點(diǎn)是介質(zhì)中的點(diǎn)，三維空間的方程為：,第六章 電化學(xué)保護(hù),對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)來(lái)說(shuō)，我們感興趣的是在陰極表面上的電位分布，所以可在整個(gè)陰極表面上進(jìn)行元素網(wǎng)格剖分，用每個(gè)元素的中心點(diǎn)作為這個(gè)元素的代表點(diǎn)。對(duì)每一點(diǎn)P，電位可由所有其他點(diǎn)的積分表示，這樣，曲面積分就可表示為每個(gè)元素的和。如果有N個(gè)元素，就可建立N個(gè)聯(lián)立線性方程組，并利用N個(gè)線性方程解出N個(gè)點(diǎn)的電位值。 與有限差分法相比，邊界元素法的特點(diǎn)是不用離散電解質(zhì)區(qū)域，大大減少了求解區(qū)域內(nèi)元素及節(jié)點(diǎn)數(shù)目。同

59、時(shí)，由于這些區(qū)域不是腐蝕工程師所感興趣的地方，故能大大節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間。 但邊界元素法所形成的矩陣不具有對(duì)稱性和稀疏性，因此，部分抵消了其節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間的優(yōu)點(diǎn)。,第六章 電化學(xué)保護(hù),3）陰極保護(hù)電位場(chǎng)數(shù)值求解的過(guò)程 （1）模型生成 在進(jìn)行電位分布計(jì)算之前，腐蝕系統(tǒng)的幾何形狀及邊界條件必須以數(shù)學(xué)方式進(jìn)行處理，以便于計(jì)算機(jī)計(jì)算。這項(xiàng)工作可由人工進(jìn)行求解區(qū)域離散，節(jié)點(diǎn)拓?fù)?，元素信息編碼，并輸入計(jì)算機(jī)中。對(duì)于大型的陰極保護(hù)設(shè)施及復(fù)雜的海洋結(jié)構(gòu)，進(jìn)行人工剖分等一系列工作是不可能的，除了要耗費(fèi)時(shí)間外，更嚴(yán)重的是可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的失實(shí)。不管是哪種數(shù)值方法或?qū)δ牟糠謪^(qū)域進(jìn)行離散，手工總是很困難的，當(dāng)元素網(wǎng)格包括幾百甚