阴极保护

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阴极保护原理

阴极保护原理-阴极保护的基本原理是什么

    金属被从矿石等化合物中提取出来之后,被赋予了较高的能量,在能量流失的过程中,金属因发生了电子的转移而发生腐蚀,这就是电化学腐蚀的基本原理。金属腐蚀是非常普遍的现象,怎样杜绝或减缓金属的腐蚀,在日常生活及工农业生产及国防建设中都己成为普遍而严重的技术问题。腐蚀给各国的国民经济所造成了巨大的损失,根据调查,腐蚀所造成的直接经济损失竟然占国民生产总值的1%-4%。

    埋地钢质管线是埋在地下的最大的钢铁构件,可长达几千公里,穿越各种不同类型的土壤和河流湖泊,广泛应用于能源和资源运输,它的运行可靠性和稳定性对于国民经济和人民生活有密切的关系。金属管道在土壤环境中会发生腐蚀,土壤冬、夏季的冻结与融化,地下水位变化,以及杂散电流等复杂的埋设条件是造成外腐蚀的环境。管道内输送介质的腐蚀性差异也很大。管道埋设于地下,很难直观地对其进行腐蚀状态的检查,构成管道防腐蚀的难度。在严重的情况下,管道腐蚀穿孔,油气泄露而引起火灾,造成很大的损失。因此,埋地管线的保护是长期安全生产的必要措施。

  为控制埋地钢质管道在土壤中的电化学腐蚀,公认的做法是采用外防护层和阴极保护联合防护措施。其中外防护层是主要防腐手段,即在钢管和腐蚀介质之间建立一个绝缘隔离层,避免腐蚀介质和钢管接触,从根本上防止钢管的电化学腐蚀;阴极保护作为防护层防腐的补充手段,为防护层缺陷处的钢管外表面提供电化学保护。电化学保护方法主要有两种,一种是牺牲阳极阴极保护,一种是外加电流阴极保护。

  选择一种其电极电位比被保护金属更负的活泼金属(合金),把它与共同置于电解质环境中的被保护金属从外部实现电连接,这种负电位的活泼金属在所构成的电化学电池中作为阳极而优先腐蚀溶解,故被称为牺牲阳极,释放出的电流使被保护金属阴极极化到所需要的电位范围,从而抑制腐蚀,实现保护,这就是牺牲阳极阴极保护。

  钢质管道通过与埋设于同一土壤中的牺牲阳极(镁阳极)保持电连接而得到阴极保护,钢管-金属导线-镁阳极-回填料-土壤-钢管构成了一个完整的电流回路。牺牲阳极的输出电流取决于土壤电阻率,因为驱动电压低,牺牲阳极只能用在电阻率较低的土壤中,适用于所需保护电流小的管道。应用牺牲阳极阴极保护时,阳极数量应满足总电流的需要,并能保证阳极设计的寿命。镁阳极用于土壤电阻率小于150Ω·m的土壤中,锌阳极用于土壤电阻率小于15Ω·m的土壤中。因为干燥处没有水分在,无法形成闭合回路,阴极保护起不到作用,所以阳极应埋在湿润处,且阳极与被保护距离一般为2-3m,埋深不小于1m,所有埋地的牺牲阳极均应埋在冰冻线以下。

  牺牲阳极阴极保护方式有以下优点:

  1。 保护电流的利用率较高,不会发生过保护;

  2. 适用于无电源地区或短距离的管道;

  3. 对邻近的地下金属设施无干扰影响;

  4。 施工技术简单,安装及维护费用低;

  5. 管道的接地、保护兼顾;

  6. 日常管理工作量小。

  缺点有:

  1. 驱动电位低,保护电流调节困难;  

    2。 使用范围受土壤电阻率的限制;  

    3。 对大口径、裸露或防腐绝缘差的管道实施困难;  

    4。 在杂散电流干扰强烈地区,将丧失保护作用;  

    5. 保护时间受牺牲阳极寿命的限制。  

    牺牲阳极材料的选择主要是看合金的性能及其化学成分,特别是合金元素的含量和杂质的含量。合金的金相组织对阳极性能也有着重要的影响。目前,牺牲阳极法阴极保护常用的阳极材料有:

  1。 镁及镁合金阳极 镁是活泼的碱土金属元素,25℃时的标准电极电位值为-2。37V,镁及其合金相对于钢铁有最高的有效电位差,在所有的阳极材料中,镁与钢铁类被保护体组成的保护回路驱动电压最大。镁阳极的表面小易极化,腐蚀产物疏松、易脱落。因此,镁是应用最广的牺牲阳极材料。镁阳极一般应用于电阻率比较高的土壤或淡水中。

  2。 锌及锌合金阳极 锌是最早使用的牺牲阳极材料,它与钢铁的有效电压只有0。20V-0。25V。我国已成功研制出低合金化的锌合金牺牲阳极,并已广泛用于工程实际之中。锌合金有较高的电流效率,电位稳定,阳极输出电流随被保护金属的状态和环境的变化而自动调节,不仅可用于低电阻率土壤中,还可以用于海洋中。

  铝合金阳极 铝合金阳极单位重量发出的有效电量大,理论电容量可达2980A·h/kg,大约是锌的3.6倍,镁的1.35倍。铝合金牺牲阳极来源充足,制备工艺简单,价格低廉,便于安装,在海水中使用是比较理想的材料,但是在土壤中应用效果并不理想。

  将被保护管道与外加直流电源负极相连,由外部电源提供保护电流,以降低管道腐蚀速率的方法。外加电流阴极保护也称作强制电流阴极保护。

    优点是:①驱动电压高,能够灵活控制阴极保护电流的输出;

            ②在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中适用;

            ③使用不溶性阳极材料可作长期阴极保护;

            ④如果管道防腐绝缘层质量良好,一座阴极保护站可以保护几十公里的范围;

            ⑤对局部裸露或防腐绝缘层质量较差的管道也能达到完全的保护。

    缺点是:

            ①需要外部电源;

            ②对邻近的地下金属设施易产生干扰;

            ③维护技术较牺牲阳极保护复杂;

            ④一次性投资费用高。

  外加电流阴极保护方式,特别适用于大口径长距离输送管道的外壁防腐。根据经济技术对比确定对埋地管道采用这种保护方式后,就要选择站址,建立阴极保护站。一座外加电流阴极保护站,由电源设备和站外设施两部分组成。电源设备是外加电流阴极保护站的“心脏”,它由提供保护电流的直流设备及其附属设施(如交、直流配电系统)构成。站外设施包括汇流点装置、阳极地床、架空阳极线路或埋地电缆、测试桩、绝缘法兰、均压线等构成,站外设施是阴极保护站不可缺少的组成部分,缺少其中任何一部分都将使阴极保护站停止运行或不能达到正常的保护效果。

  外加电流阴极保护常用的辅助阳极有以下几种:

  1. 钢铁阳极 钢铁阳极是我国管道阴极保护辅助阳极的主体材料,它有材料来源广、施工方便、价格低廉、通过的电流几乎不受限制等优点。钢铁阳极属于易溶性阳极,理论消耗率为9.1-10kg/(A·a),因此也存在使用寿命短的缺点,需定期更换。

  2. 高硅铸铁阳极 高硅铸铁是一种常用的阳极材料,外形与铸铁相似,非常脆、硬,不能用普通的方法加工,因而在运输和安装时要特别注意。高硅铸铁阳极是一种难溶性阳极材料,被广泛应用在海水、淡水及含氯化物的土壤环境中。高硅铸铁阳极的允许电流密度为5-80A/m2,理论消耗率<0.5kg/(A·a)。

  3。 石墨阳极 石墨阳极作为外加电流阴极保护系统的阳极,目前在长输管道和地下电缆的保护中得到较普遍的应用。石墨是耐蚀材料,与可溶性阳极比较属难溶性阳极,因一次施工后一般不需要更换,所以也称“永久性阳极”。石墨阳极的石墨化化程度应≥81%,灰份应<0。5%。为提高石墨阳极的耐蚀性,可用石蜡或亚麻油对其浸渍,以降低气孔,抑制可能引起的阳极胀裂而过早失效或表面气体的析出及碳的氧化,浸渍后的阳极寿命可延长50%。石墨阳极的允许电流密度为5-10A/m2,理论消耗率<0。6kg/(A·a)。

  4。 贵金属氧化物阳极 贵金属氧化物阳极具有消耗低、使用寿命长、受温度变化影响小的优点。贵金属氧化物阳极的电阻率很低,允许通过的电流密度为50-100A/m2,理论消耗率为0。02-0。15kg/(A·a)。这种阳极特别使用与土壤中,也可应用于海水或淡水中,被认为是今后外加电流阴极保护最有前途的阳极材料。贵金属氧化物阳极制造工艺较为困难,需要专业的公司才能生产。

  参比电极是一种电位恒定的从准电极,在电位测量中用测试点的电位与这个电极的电位差来表示被测管道的电位值。参比电极的性能要求:

    ①极化小、稳定性好、寿命长;

    ②易制作,携带方便;

    ③测量方便,精确度高,重复性好;

    ④价格便宜。

  在埋地管道中的应用情况在埋地管道阴极保护中多采用可逆不极化硫酸铜参比电极,用硫酸铜参比电极和恒电位仪组成自控信号源。但由于液态硫酸铜参比电极的密封性处理不好,经常造成渗漏过度,因此需要经常添加硫酸铜溶液。特别是冬季寒冷地区容易冻结,影响恒电位仪的连续自动控制。针对这种问题,我国已经研制出了长效埋地型硫酸铜电极,可作为长期对恒电位仪基准信号取值的参比电极。

    长效埋地型硫酸铜参比电极由两部分组成:

    一是电极本身;

    二是为改善电极工作环境的填包料。用导电填包料取代硫酸铜电极中溶液的作用,因而克服了溶液的渗漏和防冻问题。

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