阴极保护技术讲座

1 阴极保护技术讲座 一、 腐蚀介绍 金属材料受到周围介质（最常见的是液体和气体）的化学作用、电化学作用或物理溶解而产生的破坏，称为金属腐蚀。 在工业领域中因金属所处环境的复杂性，腐蚀的形式及因素很多，但无外乎三种：化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏；电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质（电解质溶液）发生电化学作用而产生的破坏，电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀；物理腐蚀是指单纯的物理溶解作用引起的破坏。 埋地钢质管道及海水、淡水中的钢质构筑物发生的腐蚀主要为电化学腐蚀。 二、电化学腐蚀基本原理 金属在电解质溶液中的腐蚀是由于形成了原电池，原电池是借助于物质的氧化还原反应产生电流的装臵，干电池就是一种原电池。 腐蚀原电池必须符合以下四个条件： a. 必须有一个阳极 b. 必须有一个阴极 c. 必须有一个连接阳极和阴极的导电通路（通常，这可能是管道本身） d. 阳极和阴极必须浸入导电的电解质中（通常，是湿润的土壤） 以埋在土壤中的钢管为例： 土壤是固态、液态、气态三相物质组成的混合物，由土壤颗粒组成的固体骨架中充满着空气、水和不同的盐类，土壤中有水分能进行离子导电的盐类存在，使土壤具有电解质溶液的特征，给地下管道的电化学腐蚀创造了良好的环境，土壤结构不同，土壤中含水量和氧的透气性也不同，随着地区的不同，土壤pH值也不同，因而埋地管道有不同的电化学腐蚀现象。 1. 土壤中的腐蚀 按照电化学腐蚀机理，电化学腐蚀反应包含阳极反应和阴极反应，并由金属的内部电子和电解质（如土壤和海水等）中的离子导电构成电流的循环回路。阳极反应是金属失去电子变为离子转移到介质中，及氧化反应；阴极反应则为介质中离子吸收电子的还原过程。： 阳极反应： Fe  Fe2+ + 2e Fe2+ + 2OH-  Fe(OH)2↓ 阴极反应： 2H+ + 2e  H2 (酸性介质中) O2 + 4H+ + 4e  2H2O (酸性介质中) O2 + 2H2O + 4e  4OH- (中、碱性介质中) 2

2. 由于产生浓差电池而造成的腐蚀 这种腐蚀是埋地管道最常见的一种。由于在管道的不同部位氧的含量不同，因而形成氧气浓差电池。在氧浓度大的部位金属电极电位高，是腐蚀电池的阴极；氧浓度小的部位金属电极电位低，是腐蚀电池的阳极。例如：管道埋在地下，由于上部土壤中氧气比下部多，氧气压上部比下部大，导致上部电极电位比下部高，形成阴极区，下部为阳极区，因而下部遭腐蚀，常常发现管道底部穿孔就是这一原因。 另外由于管道所处土壤情况的不同，两种土壤的交界处腐蚀最严重是由于粘土段氧浓度小，疏松土段氧浓度大，造成氧浓差电池的缘故；管道经过含盐量不同的地段时，相当于一导体与两种浓度不同的电解质接触，例如管道经过有一定深度的河滩地时，不仅本体金属与焊接金属的组成不同，还处于不同含水量和含氧量的土壤中，可能发生较剧烈的腐蚀。 三、如何减缓腐蚀 在地下管道上减缓腐蚀的主要方法是涂层和阴极保护。 涂层通常是在被保护的金属的表面形成一个连续性电绝缘材料薄层。事实上所有的涂层，无论质量如何，都有缺陷，也可以说是针孔，它们是加工厂进行涂覆管的施工、运输和安装的过程中形成的。涂层的小孔也可以由于涂层剥落、土壤的压力、地下管道的运动或使用过程中形成。在小孔和剥落区域中的高腐蚀率可以导致管道的泄露和破裂，即使涂层可以有效的保护管道的大部分表面。因而，涂层在缺少阴极保护的时候很少用于地下管道保护上。阴极保护管道上涂层的主要作用是减少在管道上暴露的金属的表面面积，从而减少阴极保护金属电流的需求。 四、阴极保护概念 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通过是金属表面成为电化学电池的阴极来减少金属表面的腐蚀率的一种技术。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。 3

五、阴极保护的原理 目前已广泛采用阴极保护方法来保护地下和水下的金属构筑物如燃气管道或钢质给排水管道等，已知金属构筑物与电解质溶液相接触，会形成腐蚀原电池。阴极保护就是要消除金属结构上的阳极区，可以通过下述两种方法来使被保护金属成为阴极，从而使金属避免电化学腐蚀。 1. 牺牲阳极的阴极保护：被保护的金属管道上联结一种电位更负的金属或合金（如铝合金、镁合金、锌合金），使形成一个新的腐蚀电池，由于管道上原来的腐蚀电池阳极的电极电位比外加的牺牲阳极的电位更正，整个管道就成为阴极。

2. 外加电流的阴极保护：将被保护金属与外加的直流电源的负极相连，把另一辅助阳极（一般为高硅铸铁）接到电源的正极，使被保护金属全成为阴极。

六、阴极保护的应用范围 1. 埋地钢质管道的防腐 2. 水下构筑物的保护 3. 储罐及管道内壁 4

4. 加油（气）站； 5. 城市地下管网； 6. 厂矿企业的地下管网； 7. 长距离输送及地面站； 8. 各类罐区； 9. 港口码头； 10. 船舶； 11. 电缆金属护套； 12. 混凝土构筑物； 13. 石油化工设备。 14.代替铜或钢接地极 15.作参比电极 16.作接地电池 17.防交流干扰 七、阴极保护的标准 1. -850mV阴极保护标准 实施阴极保护有一个最低850mV的负电位值。这个电位值是相对于一个接触电解质的饱和铜/硫酸铜参比电极测量的。 2.管道表面与接触电解质的稳定饱和铜/硫酸铜参比电极之间的阴极极化电位差值最小为100mV。这一参数可以是极化的建立或衰减过程中的数据。该标准最常用于涂层差或裸露的结构上。 3.保护度：≥90% 八、牺牲阳极材料 1. 性能和指标 工程中常用的牺牲阳极材料有镁和镁合金、锌和锌合金、铝合金三类。其性能和指标如下： 表1 镁阳极的化学成分 阳极型号 Al Zn Mn Mg Fe Ni Cu Si 适用环境 AZ63 5.3~6.7 2.5~3.5 0.15~0.6 余量 〈0.005 〈0.003 <0.020 <0.1 各种土壤和淡水中 Mg-Mn <0.010 ----- 0.50~1.30 余量 <0.03 <0.001 <0.020 ----

高纯镁 <0.010 <0.010 <0.030 余量 <0.002 <0.001 <0.001 <0.010 执行标准：SY/T 0019-97《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》 5

表2 锌阳极的化学成分 阳极型号 Al Cd Zn Fe Cu Pb Si 适用环境 Zn-Al 0.3~0.6 ---- 余量 〈0.005 〈0.005 <0.006 <0.125 电阻率小于15欧姆.米的土壤和海水中 Zn-Al-Cd 0.3~0.6 0.05~0.12 余量 <0.005 <0.005 <0.006 <0.125

高纯锌 <0.005 <0.003 >99.995 <0.0014 <0.002 <0.003 ---- 执行标准：SY/T 0019-97《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》 表3 铝阳极的化学成分 阳极型号 Zn In Cd Sn Mg Si Fe Cu 适用环境 AZI-Cd 2.5~4.5 0.018~0.05 0.005~0.02 -- -- <0.13 <0.16 <0.02 海水和海泥中 AZI-Sn 2.2~5.2 0.02~0.045 -- 0.18~0.035 -- <0.13 <0.16 <0.02

AZI-Si 5.5~7.0 0.025~0.035 -- -- -- 0.1~0.15 <0.16 <0.02 AZI-SnMg 2.5~4.0 0.2~0.05 -- 0.025~0.075 0.5~1.0 <0.13 <0.16 <0.02 执行标准：GB 4948-85 《铝—锌—铟系合金牺牲阳极》 表4 三种牺牲阳极材料电化学性能比较 特征 镁阳极 铝阳极 锌阳极 Mg、Mg--Mn AZ63 密度（g/cm3） 1.74 1.77 2.83 7.14 开路电位（--V） (S.C.E） 1.56 1.48 1.08 1.03 对钢铁有效电压（V） 0.75 0.65 0.25 0.20 理论发生电量（A.h/g） 2.20 2.21 2.87 0.82 海水中（3mA/cm2） 电流效率（%） 50 55 80 95 发生电量（A.h/g） 1.10 1.22 2.30 0.78 消耗率 kg/(A.a) 8.0 7.2 3.8 11.8 土壤中（0.03mA/cm2） 电流效率（%） 40 ≥50 65 65 发生电量（A.h/g） 0.88 1.11 1.86 0.53 消耗率 kg/(A.a) 10.0 ≤7.92 --- ≤17.25 2.质量保证 （1）先进的熔炼技术 为了保证牺牲阳极的质量，我们在进厂材料上严把质量关。在进行合金熔炼前，增加精练工艺，确保原料金属的纯度。为了保证杂质元素不超标，我们采取特殊的熔炼熔剂，确保铁等