论述阴极保护法在腐蚀与防护中的应用.docx

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论述阴极保护法在腐蚀与防护中的应用

论述阴极保护法在腐蚀与防护中的应用

过控131田聪

摘要：

工业材料的腐蚀给国民经济和社会生活造成的严重危害已越来越为人们所认识重视，金属在水溶液中的腐蚀是一种电化学反应。

阴极保护法可以有效地控制金属腐蚀的速度，这里简单的介绍阴极保护法的原理及阴极保护法在腐蚀与防护中的一些实际应用。

Abstract:

Corrosionofindustrialmaterialstothenationaleconomyandsociallifehascausedseriousharmtopeople'sattention,metalinaqueoussolutionisanelectrochemicalreaction.Cathodicprotectionmethodcaneffectivelycontrolthespeedofmetalcorrosion,andtheprincipleofcathodicprotectionmethodandthepracticalapplicationofcathodicprotectionmethodincorrosionandprotectionarebrieflyintroduced.

关键词：

金属腐蚀；电化学反应；阴极保保法

Keyword:

smetalcorrosion;electrochemicalreaction;Cathodicprotectionmethod

1

阴极保护是一种用于防止金属在电介质（海水、淡水及土壤等介质）中腐蚀的电化学保护技术，该技术的基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。

根据提供阴极电流的方式不同，阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种，前者是将一种电位更负的金属（如镁、铝、锌等）与被保护的金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断溶解消耗，向被保护物提供保护电流，使金属结构物获得保护。

后者是将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属结构物，从而使腐蚀得到抑制。

不论是牺牲阳极法还是外加电流法，其有效合理的设计应用都可以获得良好的保护效果。

阴极保护和涂覆层的联合应用，可以使地下或水下金属结构物获得最经济和有效的保护。

良好的涂覆层可以保护构筑物99%以上的外表面不受腐蚀，地下或水下的金属结构物通常在使用前涂覆防护涂层用以将金属与电介质环境电绝缘隔离。

如果金属构筑物能够做到完全电绝缘隔离，金属在电介质中的腐蚀电池的形成将受到抑制，腐蚀电流将无法产生，从而防止金属的腐蚀。

然而，完全理想的涂覆层是不存在的，由于施工过程中的运输、安装及补口，热应力及土壤应力、涂层的老化及涂层微小针孔的存在，金属结构物的外涂层总会存在一些缺陷，而这些缺陷最终将导致金属的局部腐蚀产生。

阴极保护技术和涂层联合应用则可以有效解决这一问题。

一方面阴极保护可有效地防止涂层破损处产生的腐蚀，延长涂层使用寿命，另一方面涂层又可大大减少保护电流的需要量，改善保护电流分布，增大保护半径，使阴极保护变得更为经济有效，对于裸露或防腐涂层很差的地下或水下金属构筑物，阴极保护甚至是腐蚀防护的唯一可选择的手段。

阴极保护的费用通常只占被保护金属结构物造价的1%～5%，而结构物的使用寿命则可因此而成倍甚至几十倍地延长，因此，这项技术得到人们的普遍认可，并已在船舶、港工设施、海洋工程、石化、电力、市政等领域得到越来越广泛的应用，前景十分广阔。

保护措施对于水面船舶，通常采取外加电流阴极保护与牺牲阳极（水线以下部位加装锌、镁、铝等金属块）相结合的阴极保护方法。

船底和水线以下船体部位及附体，采用外加电流阴极保护和长效配套涂料联合防腐保护。

压载水舱、污油水舱采用高效牺牲阳极和长效配套涂料联合防腐保护。

此外，接触海水部位的不同管材的接头、法兰之间，必须进行有效的电绝缘处理。

同时，由于外加电流阴极保护是一种成熟有效的船体防腐蚀保护方法，在国内外已经得到了广泛的应用。

尤其是对于大、中型舰船采用外加电流阴极保护方法，可以避免安装大量的牺牲阳极，减少航行阻力，并具有不受外界条件（如航速、温度、海区和油漆涂层状态等）和钨限制等优越性，从而有效地抑制船体腐蚀，延长舰船进坞周期。

这样不仅节省费用，而且保证了舰船处于良好的战备状态，具有明显的经济效益和显著的经济军事意义。

一、阴保护系统管理知识 

（一）阴极保护的原理 

自然界中，大多数金属是以化合状态存在的，通过炼制被赋予能量，才从离子状态转变成原子状态，为此，回归自然状态是金属固有本性。

我们把金属与周围的电解质发生反应、从原子变成离子的过程称为腐蚀。

每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位, 称之为该金属的腐蚀电位（自然电位），腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。

腐蚀电位愈负愈容易失去电子, 我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。

阳极区由于失去电子（如铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受到腐蚀，而阴极区得到电子受到保护。

阴极保护的原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。

有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

1、牺牲阳极法 

将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体极化以降低腐蚀速率的方法。

在被保护金属与牺牲阳极所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护，如图1—3。

牺牲阳极材料有高钝镁，其电位为-1.75V；高钝锌，其电位为-1.1V；工业纯铝，其电位为-0.8V（相对于饱和硫酸铜参比电极）。

2、强制电流法（外加电流法） 

将被保护金属与外加电源负极相连，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。

其方式有：

恒电位、恒电流、恒电压、整流器等。

如图1-4示。

图1-4恒电位方式示意图 

外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，使腐蚀受到抑制。

而辅助阳极表面则发生丢电子氧化反应，因此，辅助阳极本身存在消耗。

阴极保护的上述两种方法，都是通过一个阴极保护电流源向受到腐蚀或存在腐蚀，需要保护的金属体，提供足够的与原腐蚀电流方向相反的保护电流，使之恰好抵消金属内原本存在的腐蚀电流。

两种方法的差别只在于产生保护电流的方式和“源”不同。

一种是利用电位更负的金属或合金，另一种则利用直流电源。

 3 

强制电流阴极保护驱动电压高，输出电流大，有效保护范围广，适用于被保护面积大的长距离、大口径管道。

牺牲阳极阴极保护不需外部电源，维护管理经济，简单，对邻近地下金属构筑物干扰影响小，适用于短距离、小口径、分散的管道。

（二）外加电流阴极保护系统的组成 

1、恒电位仪：

珠三角管道采用的是IHF系列数控高频开关恒电位仪，它的主要作用是向管道输出保护电流。

2、阳极地床：

由若干支辅助阳极（高硅铸铁）组成，通过辅助阳极把保护电流送入土壤，经土壤流入被保护的管道，使管道表面进行阴极极化 （防止电化学腐蚀），电流再由管道流入电源负极形成一个回路，这一回路形成了一个电解池，管道在回路中为负极处于还原环境中，防止腐蚀，而辅助阳极进行氧化反应遭受腐蚀，或是周围电解质被氧化。

阴保站的电能60％消耗在阳极接地电阻上, 故阳极材料的选择和埋设方式、场所的选择,对减小电阻节约电能是至关重要的。

珠三角管道的阳极地床辅助阳极一般为40支，阳极地床的接地电阻小于3Ω（设计要求），阳极地床与管道的垂直距离要大于50米。

3、参比电极：

为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，通常由饱和硫酸铜参比电极、锌电极等。

4、绝缘接头：

阴极保护系统保护的是输油站外的长输管道，绝缘接头的作用是将阴极保护电流限制在两个阴极保护站之间的管道上。

5、检查片：

由与管道同材质的金属制成50×100mm的挂片，检查片有两组，一组与输油管道相连，处于阴极保护状态，一组不与管道相连，处于自然腐蚀状态。

经过一定时间后将两组检查片的失重量进行比较，可分析管道的阴极保护效果。

6、测试桩：

为了检测维护管道的阴极保护系统，在管道沿线设置电流及电位测试桩，电位测试桩每公里设置一个；电流测试桩每5公里设一个；套管电位测试桩每个套管处设置一个；绝缘接头电位测试桩每一绝缘处设一个。

城市埋地煤气管道的阴极保护方法：

 埋在土壤中的金属管道由于各种原因管道表面将出现阳极区和阴极区，并在阳极区发生局部腐蚀。

阴极保护就是利用外加手段迫使电解质中被保护金属表面都成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的。

使用阴极保护时，被保护的金属管道应有良好的防腐绝缘层，以降低阴极保护的费用。

阴极保护技术根据保护电流的供给方式，可分为牺牲阳极法和强制电流法两种保护方法。

采用牺牲阳极法的主要优点有：

无需外部电源、对外界干扰少、安装维护费用低、无需征地或占用其他建构筑物、保护电流利用率高等，因此特别适合于城市范围内的埋地钢管腐蚀。

而我公司输配管网绝大部分均埋设在市区范围，因此我公司予以推荐。

另方面，强制电流法则有：

保护范围大、适合范围广、激励电势及输出电流高、综合费用低等优点，故适合用于长输管线或市郊管线的防腐。

如应用于市区范围内时，则由于其会产生干扰电流而影响其他管线及建筑物，且还需要征地或占用建筑物，因此在实施时会带来较大的困难。

因此，城市埋地煤气管道防腐的阴极保护宜用牺牲阳极法。

当条件许可时，也可采用强制流保护法。

目前，在我公司城市燃气输配管网中，已全面采用牺牲阳极法来进行管道

防腐。

3 广州埋地燃气管道阴极保护的设计与施工  

3.1 牺牲阳极选用及布点的技术要求  

（1）电防护法在选用时应符合以下要求  

a）锌阳极不得使用在土壤电阻率＞20O·m的场合；  

b）镁阳极不宜使用在土壤电阻车＞100Ω·m的场合；  

c）外加电流阴极保护法在选用时不受土壤电阻率的限制。

（2）采用牺牲阳极法时，选用阳极的保护效果应符合以下要求：

a）对地电位应达到-0.85V或更负；  

b）通电时，阴极电位较自然电位向负方向变化值应大于300mV；  

c）当土壤或水中含有硫酸盐还原菌，且硫酸根含量大于0.5％时，通电后，对地电位应达到-0.95V或更负。

（3）在牺牲阳极法中的镁阳极选用时，必需按照表1来进行选取。

（4）牺牲阳极在埋设时，与保护的燃气管道的距离不宜小于0.3m，也不宜大于7m，埋设深度不宜小于1m，且直埋设在潮湿的土壤中。

埋设形式可采用立式或卧式。

在阳极与保护管道之间，严禁设置其他金属构筑物。

（5）牺牲阳极检测桩、检测头在设置

a）检测桩、检测头宜设置在燃气主干管沿线；  

b）宜每5组牺牲阳极或至少1Km设置1个检测桩；  

c）检测桩应设置在牺牲阳极附近，且宜安装在管道沿线中土壤腐蚀性强、湿度大、地下水位高或管道绝缘防腐层薄弱的地点；  

d）宜每在每个检测桩附近设置1个检测头。

（6）设置检查桩和检测头的目的：

检测桩是为了监测牺牲阳极装置的保护电位。

检测头是为了检测、掌握阴极保护系统运行后管道被保护状态而设置。

3.2牺牲阳极的施工要求  

a）阳极的埋设：

按比例配制、调匀好填料，装入φ300×1000的棉或麻布袋中，将经过用铁砂纸打光及表面清洁处理的阳极及时插人填料中心位置，并压实；包外用铁线缠绕绑实平卧或竖直埋设在管道侧边的2-3M处，埋深应与管道埋深相同，并要在冰冻线以下，用细原土掺盐分层浇水湿润后回填混凝土。

b）所有的电缆与阳极、铜鼻子、管道、加强板的连接采用锡焊（分线盒内的连接除外），焊接前都要剥去防腐绝缘层，清洁、打光焊接处；在焊接处及电缆的外裸部位必须做好绝缘防腐处理；电缆加PVC保护套管松缓自然埋设，埋深与管道埋深相同。

C）在防护罩内的电缆要有个0.8M的冗余长度（电缆冗余部分不加PVC保护套管），以便将分线盒提出地面检测参数；分线盒的两个出人线孔用浸过沥青的麻丝填实，再用沥青填平做防水处理。

d）连接管道的电缆颜色应与其它电缆颜色区分开，以便辩认检测。

e）分线盒在施工安装、检测完毕后，分线盒盖子须拧紧防水。

f）阳极的埋设点必须做永久性标志，并填入"投产保护参数测量表"中，永久性标志可以包括周围建筑物。

3.3设计示例  

旧广从公路（兴华路至同和三叉路口段）煤气主干管，位于广州市北郊，全长5.2km，管道呈南一北走向，管径均为D325×6mm。

第一步在设计好煤气管道的基础上布置牺牲阳极时，先确定头和尾两个牺牲阳极，一般头、尾两个牺牲阳极定在距离煤气管道的起点、终点100—150m左右，第二步再根据表1中的管径大小的规定距离以及选用镁阳极规格来分别设置牺牲阳极。

根据表1，管径是D325×6mm的煤气管道，选用双块11Kg镁阳极时，它对管道的保护长度是272.1m，由此计算所得旧广从公路煤气管道共需要设置15组双块11Kg镁阳极，4组带检测桩牺牲阳极2—11Kg及4组检测头。

我公司定为检测桩设置在牺牲阳极同一位置上（即是与其中一组牺牲阳极串联），称为带检测桩牺牲阳极；而检测头一般设在两组牺牲阳极之间。

广从公路牺牲阳极布点示意图见图1。

4 结束语  

目前，人们已认识到了管道外防腐绝缘层与阴极保护的联合使用是最经济、最合理的防蚀措施。

这是因为防腐层在生产、运输、与施工中无法保证不受到任何损坏。

因此，不可能完全将管道与腐蚀环境、介质完全隔离。

而且用于防腐绝缘层的各种材料，都不同程度的具备吸水和透气性。

因此埋地后，在土壤溶液作用下会逐步吸水老化。

要维持有效的防腐，就必需同时采取阴极保护，即联合保护。

阴极保护对腐蚀反应进行积极的干预，它采阴极极化的电化学手段，保证了被保护金属体的电化学均匀性，抑制了腐蚀电池的产生。

阴极保护不仅使用于新管的防护，也应用于旧管线的改造和延寿。

船舶：

涂膜的阴极保护作用。

有机高分子聚合物一般都是绝缘体，如果在成膜物质中加入能成为牺牲阳极材料的金属颜料，当金属颜料和金属表面直接接触，有腐蚀介质渗入后，金属颜料被腐蚀，可以保护金属。

例如富锌底漆中的颜料为金属锌的粉末，将其涂刷在钢板上时，锌可作为牺牲阳极。

钢筋混凝土：

土的腐蚀分为两部分；一部分是混凝土的腐蚀，另一部分是钢筋的腐蚀。

混凝土受腐蚀的类型有结晶类腐蚀，分解类腐蚀及结晶分解复合类腐蚀。

结晶类腐蚀指水或土中某些盐类浸入混凝土的毛细孔中，经干湿交替作用盐溶液浓缩至饱和，当温度下降时析出盐晶体，晶体不断积累膨胀或与混凝土中某些成分相结合生成新的结晶物质膨胀，致使混凝土破坏。

分解类腐蚀指水或土中的盐类与混凝土的化学成分反应生成易溶盐，被溶解或被水带走，从而使混凝土分解破坏。

结晶分解复合类腐蚀指水或土中的盐类对混凝土既有结晶破坏又有分解破坏。

水或土对钢筋的腐蚀主要为电化学腐蚀和酸类的腐蚀。

电化学腐蚀是指钢铁表面各部位受不同的物理或化学条件作用，形成电位差产生腐蚀电流，使钢铁被氧化导致锈蚀破坏。

酸类的腐蚀是指水、土中的酸类对钢铁的化学溶蚀居多，它是因与电介质接触的金属表面形成大量短路微电池的作用而引起的。

④阴极保护：

根据阴极保护原理，采用施加外加电流或牺牲阳极的方法，使混凝土内钢筋电位处于-0.85V左右（饱和硫酸铜电极），则钢筋就不会腐蚀。

对于新工程，阴极保护可用于海中、水域或地下潮湿的独立构筑物。

须严格控制保护电位范围，防止析氢引起“握裹力”降低和氢脆发生，对于预应力混凝土更应慎重。