阴极保护

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阴极保护是将被保护金属外加阴极极化，以减少或防止金属腐蚀。

(一)阴极保护的两种途径

(1)将被保护金属与直流电源的负极相连，利用外加阳极电流进行阴极极化；(2)在被保护设备上连接一个电位更负的金属阴极，与被保护金属在电解质溶液中形成大电池，使设备进行阴极极化。见图3－6－18，3－6－19。

图3－6－18 外加电流阴极保护示意图(箭头表示电流方向)

1－直流电流 2－辅助阳极 3－被保护设备

图3－6－19 牺牲阳极保护示意图(箭头表示电流方向)

1－腐蚀介质 2－牺牲阳极 3－绝缘垫 4－被保护设备 5－连接螺钉 6－屏蔽层

(二)阴极保护的基本原理

由图3－6－20可看出，将处于腐蚀区的金属A点和过钝化区的金属D点进行阴极极化，使其电位降低至热力学稳定状态B点和钝化区C点，金属腐蚀即停止。由图3－6－21看出，腐蚀金属微电池的阳极极化曲线φ_aM与阴极极化曲线φ_bN交点为S，对应的腐蚀电位，电流为φ_cI_c，外加阴极电流使金属的总电位由φ_c极化至φ₁。此时金属微电池阳极腐蚀电流为I_a1＜I_c，即金属本身的腐蚀电流减小，因而得到保护；进一步极化，腐蚀体系总电位降至φ_a，则阳极腐蚀电流I_a为零，外加电流I_k=I_f，金属得到了完全保护，此时金属的电位称为最小保护电位。达到最小保护电位时金属所需的外加电流密度称为最小保护电流密度。

图3－6－20 Fe－H₂O体系的电位pH图

图3－6－21 阴极保护原理的极化图解

可见要使金属得到完全保护，必须把金属阴极极化到腐蚀微电池阳极的平衡电位。

(三)阴极保护的基本控制参数

1．最小保护电位 外加阴极电位等于金属阳极的平衡电位时的电位。为阴极保护控制最主要的参数。一般根据实验确定。表3－6－19为阴极保护采用的保护电位值(单位V)。

表3－6－1 阴极保护的保护电位值(单位V)

注：此表数据取自1973年8月英国标准研究所制定的阴极保护规范。

①海水系指洁净、充气并未稀释的海水。

②铝进行阳极保护时，电位不能太负，否则会加速腐蚀，产生负保护效应。

2．最小保护电流密度 使金属得到完全保护时所需的电流密度。在生产实践中，影响最小保护电流密度的因素较多，所以它在阴极保护中只起参考作用。

表3－6－20为钢铁在不同介质中阴极保护最小保护电流密度。

表3－6－20 钢铁在不同介质中阴极保护最小保护电流密度

(四)外加电流阴极保护

本系统有辅助阳极、直流电源以及测量和控制保护电位的参比电极。

1．对阴极材料的要求

(1)对介质的腐蚀，在使用阳极电流密度下溶解速度低。

(2)具有良好的导电性，在阳极电流密度大时极化小，排流量大。即在一定电压下阳极单位表面积上能通过的电流大。

(3)有较好的机械性能，便于加工、安装，成本低，易获得。

2．几种常用阳极材料的特性，见表3－6－21。

表3－6－21 常用阳极材料特性

3．阳极的计算(所需阳极重量和阳极表面积)

阴极保护总电流量 I=i×S (3－6－8)

式中 i——最小保护电流密度(A／m²)

S——需要保护的金属总面积(m²)

所需阳极重量G=K×g_a×τ×I(kg) (3－6－9)

式中 g_a——阳极消耗率〔kg／(A·年)〕

τ——预计工作年限(年)

I——阴极保护所需的电流强度(A)

K——校正系数，一般取K=1．5

如果是n个阳极，则每个阳极的重量所需的阳极表面积

I．为阳极材料允许的电流密度，见表3－6－21或由实验确定。

4．阳极安装注意事项

(1)与导线接触良好、牢固，与被保护设备绝缘良好，更换方便。

(2)当阳极全部浸入介质中时，为防止导线与阳极接头处被腐蚀，应妥善密封。

(3)安装阳极时，要特别注意阴、阳极之间绝缘良好，决不允许短路。阳、阴极与电源的连接方向必须正确。

(五)牺牲阳极保护法

1．对阳极材料的要求

(1)阳极电位要负，即与保护金属之间的有效电位差(驱动电位)要大。通常多用锌、铝、镁三大类合金做牺牲阳极的材料。几种锌基、镁基、铝基牺牲阳极的性能见表3－6－22。

表3－6－22 几种Zn基、Mg基、Al基牺牲阳极性能

(2)使用过程中电位要稳定，阳极极化要小，表面不产生高电阻的硬壳，溶解均匀。

(3)单位重量阳极产生的电量要大，也即产生1A·h电量损失的阳极重量要小。3种阳极材料的理论消耗量为：Mg：0．453；Al：0．355；Zn：1．255〔g／(A·h)〕

(4)阳极的自溶量小，电流效率高：

Mg：50～55%；Al：80～85%，Zn：90～95%

(5)价格低廉，来源充分，无公害，加工方便。

2．牺牲阳极的计算

所需阳极各数 (3－6－11)

式中 I_发——每块阳极的发生电流量(A／块)

α——遮蔽系数 α=1．5～3

I——所需保护电流密度(A／m2)

对系列化的阳极，I_发是已知的，n可由上式求出。

对未系列化的阳极，一般先初步确定每个阳极的尺寸，算出其有效工作表面积S，然后由经验公式求出每个阳极的电流发生量I_发，进而求出n。日本福谷英工提出计算阳极发生电流的经验公式如下，可供设计参考：

对板状阳极：lgI₃₆=0．727lgS+lg△φ－1．78 (3－6－12)

式中 I₃₆——介质电阻率是36Ω·cm时发生的电流(A／块)

S——每块阳极的有效工作表面积(cm²)

△φ——阴阳极有效电位差(V)

I_ρ——介质电阻率为ρΩ·cm时发生的电流(A／块)

ρ——介质电阻率(Ω·cm)

对棒状阳极 1gI₂₅=1g△φ+0．75lgL+0．281gD－0．82 (3－6－14)

式中 I₂₅——介质电阻率为25Ω·cm时产生的电流(A／块)

△φ——阴阳极有效电位差(V)

L——阳极长度(cm)

D——阳极的当量直径(cm)

式中 W——每个阳极的重量(kg)

Q——阳极的实际发生电量(A·h／kg)

I_发——每块阳极的电流输出量(A／块)

K——牺牲阳极的利用率85%

3．牺牲阳极的安装

(1)阳极可直接安装在被保护结构(热交换器)的本体上，可焊接固定或螺栓固定。

(2)采用螺栓固定，必须注意阳极与金属本体间有良好的绝缘，一般采用橡胶垫。

(3)采用焊接固定时，必须注意阳极本身与被保护设备之间有一定距离，不能直接接触。

(4)为改善分散能力，使电位分布均匀，应在阳极周围的阳极表面上加涂绝缘层作为屏蔽层。阴极保护技术在四川五通桥、云南一平浪盐厂应用多年，取得一定的效果，可使Ⅰ、Ⅱ效加热管寿命达3年，Ⅲ、Ⅳ效加热管达4～5年；但在用于2m以上的加热管时，保护电流沿管壁分布不均匀，且阳极消耗量大，经常拆除更换，很不方便，因此对加热管防腐，阴极保护并不是理想的方法。阳极保护适于输卤及给水管线的防腐。