劉 佳 郭 超 張 欣 徐海濤 張 超 董 超（中國石油工程建設公司北京設計分公司，北京 100101）

陰極保護在工程中的應用

劉 佳 郭 超 張 欣 徐海濤 張 超 董 超
（中國石油工程建設公司北京設計分公司，北京 100101）

金屬材料作為當今最重要的工程材料，廣泛應用于國民經(jīng)濟各個領域和日常生活中。腐蝕是導致材料服役性能下降、壽命縮短或失效的主要原因。因此，任何國家都非常重視防腐問題，采取各種措施防止和減輕腐蝕及其可能產(chǎn)生的后果，是防腐工程技術的主要任務。近年來，陰極保護技術在防腐工程中的優(yōu)勢越來越明顯，已經(jīng)成為防腐工程技術中的重要手段，本文探討了如何在工程中經(jīng)濟有效的發(fā)揮陰極保護技術這一問題。

陰極保護原理；陰極保護方法；工程應用

1 前言

將被保護金屬與外部電源連接，發(fā)生的陰極極化反應使被保護金屬的電極電位負移向金屬氧化還原平衡電位，從而達到抑制金屬腐蝕的保護方法稱為陰極保護。陰極保護是一種電化學保護方法，在陰極保護系統(tǒng)構(gòu)成的電池中，氧化反應發(fā)生在陽極上，從此抑制了作為電化學反應陰極的被保護金屬上的腐蝕。

2 陰極保護原理

陰極保護的原理是給金屬補充大量的電子，是被保護金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，使金屬表面?zhèn)€點達到同一負電位，金屬原子不容易失去電子而是變成離子溶于溶液。

2.1 電極反應

極化現(xiàn)象產(chǎn)生的實質(zhì)在于電子的遷移速度比電極反應及其相關的步驟完成的速度快。進行陽極反應時，金屬離子轉(zhuǎn)入溶液的速度落后于電子從陽極流到外電路的速度，這就使陽極上積累起過剩的正電荷，導致陽極電位向正方向移動；在陰極反應中，接受電子的物質(zhì)來不及與流入陰極的電子相結(jié)合，這就使電子在陰極上積累，導致陰極的電位向負方向移動。

2.2 極化曲線和極化圖

極化曲線能夠在有關腐蝕機理、腐蝕速率和特定材料在指定環(huán)境中的腐蝕敏感性等方面提供大量有用的信息。所以，分析研究極化曲線，是解釋金屬腐蝕的基本規(guī)律、揭示金屬腐蝕機理和探討控制腐蝕途徑的基本方法之一。極化過程中形成的共同的混合電位在局部陽極和局部陰極通過其各自的極化而形成，即金屬的腐蝕電位Ecorr。這時的局部陽極氧化反應速度與局部陰極的還原反應速度相等，即等于金屬的自腐蝕電流icorr（如圖1所示）。圖中給出了鐵在中性水溶液中的局部陽極的真實陽極極化曲線（Ee，a FPSA’）和局部陰極的真實極化曲線（Ee，c SMBD），以及該體系的實驗的陽極和陰極極化曲線（分別為Ecorr A和Ecorr GQBB’）。

2.3 電位-pH圖

電位-pH圖是從熱力學說明陰極保護原理的理論基礎。如圖2所示為根據(jù)熱力學計算獲得的Fe-H2O系電位pH圖。當在pH值是6-7的中性的水中時，金屬鐵呈現(xiàn)活化腐蝕狀態(tài)，如果通過外加負電流產(chǎn)生的陰極極化即可使鐵電極電位從腐蝕區(qū)進入免蝕區(qū)。免蝕區(qū)是一個熱力學穩(wěn)定區(qū)。當鐵的電極電位和溶液介質(zhì)的pH值處于免蝕區(qū)內(nèi)時使金屬腐蝕過程停止，即獲得了陰極保護。

3 陰極保護方法

3.1 犧牲陽極保護法

選擇一種其電位比被保護金屬（結(jié)構(gòu)物）更負的活波金屬（合金），把它與共同至于電解質(zhì)溶液中從外部與被保護金屬電連接，作為陽極的活波金屬呈負電位，先行被腐蝕溶解在所形成的電化學電池中，因此這種金屬可以稱作犧牲陽極，所需電位范圍是被保護金屬陰極極化釋放出的電子（即負電流），通過這一過程即可達到抑制腐蝕， 實現(xiàn)保護的目的。

3.2 外加電流陰極保護

外加電流陰極保護是通過外部電源來改變周圍環(huán)境的電位，使得需要保護的設備的電位一直處在低于周圍環(huán)境的狀態(tài)下，從而成為整個環(huán)境中的陰極，這樣需要保護的設備就不會因為失去電子而發(fā)生腐蝕了。這種強制外加電流的陰極保護系統(tǒng)是由整流電源、陽極地床、參比電極、連接電纜組成的，主要用在大型設備的陰極保護或者土壤電阻率比較高的環(huán)境中的設備的陰極保護。

4 陰極保護工程應用

埋地輸油氣、水等管道、管網(wǎng)的泄漏，特別是煉油、化工、化纖、化肥、制藥等企業(yè)管道、設備的跑、冒、滴、漏，除了損失大量的有用介質(zhì)外，又造成嚴重的環(huán)境污染，甚至引起火災、爆炸、塌毀等災難性事故。分析探索尋找經(jīng)濟合理的管道防腐控制措施是管道運行系統(tǒng)中非常重要的工作，通過科學的防腐控制方法經(jīng)濟評價和在管道設計或施工中都應重視防腐的重要性。

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TM862

A

劉佳，中級工程師，1979年生，2007年碩士畢業(yè)于沈陽化工學院化學工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田選材、失效分析、防腐設計和新技術開發(fā)等方面的研究。