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（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 電化學(xué)腐蝕的定義

金屬腐蝕中，比較常見的破壞形式是電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕主要是指在金屬與電解質(zhì)溶液中出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生了大量的電流，隨著電流的增加，腐蝕情況也會(huì)越來越嚴(yán)重。在同一金屬的表面上，發(fā)生腐蝕后，陽(yáng)極為金屬，釋放大量的電子，并在溶液中與氧化劑獲取電子。

腐蝕電池的主要組成包括電路、電解質(zhì)溶液、陽(yáng)極和陰極等部分，這幾部分一起構(gòu)成了腐蝕電池工作的重要環(huán)節(jié)，即陽(yáng)極過程、陰極過程、電子與離子的移動(dòng)等。

腐蝕原電池的組成如下：（1）陽(yáng)極。陽(yáng)極會(huì)出現(xiàn)金屬腐蝕或損失的情況，使電子得以釋放。（2）陰極。陰極很少有腐蝕的情況發(fā)生，甚至不會(huì)出現(xiàn)腐蝕，主要對(duì)電子進(jìn)行接收。（3）金屬通道。使用導(dǎo)線連接陰、陽(yáng)極，創(chuàng)造電子流動(dòng)的通道。（4）電解質(zhì)。在相同的電解質(zhì)溶液中存在陰極和陽(yáng)極。

2 陰極保護(hù)簡(jiǎn)介

2.1 陰極保護(hù)的原理

接通腐蝕電池電路后，在電流作用下，電極電位出現(xiàn)與平衡電位偏離的現(xiàn)象稱之為是極化。陰極極化主要是指在陰極電流作用下，陰極電位會(huì)出現(xiàn)向負(fù)方向移動(dòng)的現(xiàn)象；陽(yáng)極極化主要是指在陽(yáng)極電流作用下，陽(yáng)極電位會(huì)出現(xiàn)向正方向移動(dòng)的現(xiàn)象。

造成陰極極化的主要原因?yàn)殛帢O還原過程的速度比電子從陽(yáng)極到陰極遷移的速度小，使大量的帶有負(fù)電荷的電子積累到陰極表面；造成陽(yáng)極極化的主要原因?yàn)榻饘偃芙膺^程的速度比電子從陽(yáng)極到陰極遷移的速度小，使陽(yáng)極表面上堆積了大量的正電荷金屬離子。在陽(yáng)極極化和陰極極化的影響下，陽(yáng)極和陰極間的電池電位差或電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)減少的情況，在電池電阻不出現(xiàn)明顯變化的情況下，電流強(qiáng)度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。所以，極化現(xiàn)象會(huì)使腐蝕電池工作出現(xiàn)被阻止與延緩的情況。

2.2 陰極保護(hù)參數(shù)

在陰極保護(hù)中，對(duì)金屬構(gòu)筑物是否被完全保護(hù)是通過保護(hù)電位判定的，其參考值為使用參比電極對(duì)金屬的保護(hù)電位進(jìn)行測(cè)量所得的數(shù)值。通過合理改變保護(hù)電流密度，使其達(dá)到所設(shè)定的保護(hù)電位要求。因此，影響陰極保護(hù)的關(guān)鍵性參數(shù)分別為保護(hù)電流密度和保護(hù)電位。

2.2.1 保護(hù)電位

在陰極保護(hù)的前提下，金屬忽略腐蝕或者終止腐蝕后，所需要的電位值即保護(hù)電位。只有被保護(hù)金屬極化達(dá)到特定的狀態(tài)后，金屬腐蝕才能被徹底停止，在該狀態(tài)下，金屬表面上最活躍的陽(yáng)極點(diǎn)的初始電位即該狀態(tài)的電位值。對(duì)于鋼構(gòu)筑物來說，鐵在特定的電解質(zhì)中溶解以后出現(xiàn)的平衡電位即該狀態(tài)的電位。所以，要獲得鐵的保護(hù)電位，只需獲得鐵的平衡電位。

對(duì)于電阻率比較高的介質(zhì)，在其中開展保護(hù)電位測(cè)量工作時(shí)，IR降的誤差會(huì)比較大。為此，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物保護(hù)電位的規(guī)定進(jìn)行了以下的補(bǔ)充規(guī)定：

1）將保護(hù)電流全部中斷后，對(duì)IR降產(chǎn)生的誤差進(jìn)行有效去除，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼鐵構(gòu)筑物的極化電位的準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)對(duì)相對(duì)飽和硫酸銅參比電極的負(fù)向極化電位進(jìn)行了規(guī)定，其取值要保持在-0.85 V以上。

2）中斷電流法。將0.5 s電流中斷后，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷電電位的高效檢測(cè)，以此為基礎(chǔ)使被保護(hù)物實(shí)現(xiàn)極化。4 h以后，認(rèn)真檢測(cè)電位的衰減值與基準(zhǔn)值之間的差，如果其取值保持在100 mV以上，即視為合格。

2.2.2 保護(hù)電流密度

保護(hù)電流密度主要是指在單位面積上被保護(hù)結(jié)構(gòu)需要的保護(hù)電流。保護(hù)電流密度會(huì)受到很多不同因素的制約，金屬的表面狀態(tài)、介質(zhì)條件等都會(huì)給保護(hù)電流密度的大小帶來直接的影響。在不同類型鋼構(gòu)物埋地情況下，保護(hù)電流密度的具體取值情況見表1。

表1 不同類型鋼構(gòu)筑物埋地情況下的保護(hù)電流密度值

2.3 陰極保護(hù)方式

2.3.1 犧牲陽(yáng)極

將另一電極連接到已經(jīng)發(fā)生腐蝕的電池體系里，該電極電位會(huì)出現(xiàn)相對(duì)負(fù)的情況，新電極與原有的腐蝕電池共同構(gòu)成新的宏觀電池，新電池的陽(yáng)極是該相對(duì)負(fù)的電極，陰極為原有的腐蝕電池，在外加陽(yáng)極的溶解作用下，產(chǎn)生的陰極電流對(duì)原電池的功能進(jìn)行了陰極保護(hù)。這個(gè)相對(duì)負(fù)的電極即犧牲陽(yáng)極，在電流流動(dòng)的作用下，會(huì)消耗大量的犧牲陽(yáng)極材料。犧牲陽(yáng)極材料主要包括鋅和鋅合金、鎂和鎂合金、鋁合金。

犧牲陽(yáng)極法比較簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)為不會(huì)給鄰近金屬設(shè)施造成不良的影響、電流分散能力比較強(qiáng)、無須安排專人負(fù)責(zé)管理，且施工比較簡(jiǎn)便。所以，犧牲陽(yáng)極法在陰極保護(hù)中的使用范圍較廣。

2.3.2 外加電流

被保護(hù)的金屬構(gòu)筑物出現(xiàn)的陰極極化主要由外部的直流電源施加而實(shí)現(xiàn)的，使金屬腐蝕問題得到徹底的解決，即外加電流法。結(jié)合該原理不難發(fā)現(xiàn)，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由輔助陽(yáng)極、電源和被保護(hù)的陰極構(gòu)成。

1）電源設(shè)備的基本設(shè)置。對(duì)于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，直流電源需要的供給保護(hù)用的電流需要具備較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性。在工程實(shí)踐中，電源設(shè)備的種類非常多，最為常見的有大容量蓄電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、熱電發(fā)生器（TEG）、密閉循環(huán)蒸氣發(fā)電機(jī)（CCVT）、整流器和恒電位儀等。

2）輔助陽(yáng)極的基本設(shè)置。對(duì)于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，與直流電源正極相連接的電極被稱為輔助陽(yáng)極。其所發(fā)揮的主要作用是外加陰極電流在陽(yáng)極介質(zhì)的作用下，及時(shí)流入被保護(hù)體中，高效組成電流的貫通回路。輔助陽(yáng)極的各項(xiàng)性能會(huì)給陰極保護(hù)效果帶來直接的影響，所以，要合理地選擇陽(yáng)極材料。

外加電流法的生命力非常強(qiáng)，發(fā)展速度也較快，其在港口設(shè)施、地下管線和船舶等方面得到了廣泛的使用。外加電流法的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為隨著工程量的增加，成本投入減少、保護(hù)裝置使用時(shí)間延長(zhǎng)和保護(hù)范圍增加。

3 接地系統(tǒng)對(duì)陰極保護(hù)的影響

3.1 防雷接地

防雷接地是外部防雷系統(tǒng)的重要組成部分，雷擊時(shí)產(chǎn)生的雷電流，經(jīng)過埋設(shè)于地下的導(dǎo)體釋放到大地中，避免集中聚集破壞性雷電能量。

在設(shè)置接地裝置時(shí)，其自然接地極可設(shè)置為與大地接觸的各種金屬構(gòu)件、金屬管道和鋼筋混凝土建筑物等；也可使用專門的人工接地極，如專門的金屬線材、金屬網(wǎng)等。目前大部分工程中，出于成本與效果考慮，多使用銅和熱鍍鋅的鋼材作為人工接地體。

3.2 接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)系統(tǒng)間的矛盾

接地系統(tǒng)的地下構(gòu)筑物互相聯(lián)結(jié)，將電擊的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。管道陰保系統(tǒng)的構(gòu)筑物互相聯(lián)結(jié)，對(duì)陰極保護(hù)電流的需求量非常大。裸銅線作為接地導(dǎo)體時(shí)，陰極保護(hù)電流需求量增加到20多倍，90%以上的陰極保護(hù)電流被銅制接地體所消耗。工程項(xiàng)目溝通不暢，區(qū)域陰保系統(tǒng)與接地系統(tǒng)單獨(dú)存在。最佳接地材料為銅接地導(dǎo)體，其耐腐蝕、導(dǎo)電性良好。

3.3 接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)互相影響的防護(hù)方法

3.3.1 電絕緣裝置

在項(xiàng)目實(shí)踐中，接地系統(tǒng)與儲(chǔ)罐和埋地管道保持電氣相連，裸金屬是主要的接地材料，使陰極保護(hù)電流被大量消耗，出現(xiàn)了異常情況。使用電氣隔離的方法處理接地系統(tǒng)與被保護(hù)的金屬設(shè)施，可解決陰極保護(hù)電流的流失問題，使二者在雷電/浪涌狀態(tài)中實(shí)現(xiàn)高效的連通，保證接地系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

工程中實(shí)現(xiàn)電氣隔離的方法為在接地系統(tǒng)及儲(chǔ)罐/埋地管道之間埋設(shè)電絕緣裝置。常用的電絕緣裝置如下：

1）固態(tài)解耦器：隔直流通交流，直流電流導(dǎo)通的閾值比較小，主要功能為防閃電和防浪涌，調(diào)整該閾值可實(shí)現(xiàn)直流電流單向?qū)ā?/p>

2）火花間隙：在正常狀態(tài)下，交、直流不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通的現(xiàn)象，超過跳火電壓時(shí)交、直流電流能夠?qū)崿F(xiàn)較好地導(dǎo)通，然而殘壓比較高，交流電流無法有效通過，仍然可以達(dá)成較良好的防浪涌、防雷電作用。

3）氧化鋅避雷器：與火花間隙比較接近，交、直流電流若要導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓需超過跳火電壓，與火花間隙不同的是，未跳火之前有很小的泄漏電流。

3.3.2 聯(lián)合保護(hù)

需把項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的接地極、埋地金屬物當(dāng)作一個(gè)整體開展聯(lián)合保護(hù)工作，在設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)的過程中，首選適合于陰極保護(hù)系統(tǒng)的接地材料，使儲(chǔ)罐和埋地管道的影響降到最低。

在設(shè)計(jì)聯(lián)合保護(hù)的陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，難點(diǎn)表現(xiàn)為陽(yáng)極接地層的布置和陰極保護(hù)電流大小的確定。在確定陰極電流量時(shí)，使用的方法有：（1）結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)埋地金屬結(jié)構(gòu)需要的陰極保護(hù)電流密度進(jìn)行科學(xué)估算，計(jì)算得出的陰極保護(hù)電流密度與被該系統(tǒng)保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)的總面積相乘，從而獲取所需電流；（2）在供電現(xiàn)場(chǎng)完成試驗(yàn)工作，將臨時(shí)陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試區(qū)域，在確定被保護(hù)構(gòu)筑物的接地電阻時(shí)，以構(gòu)筑物的電位變化情況為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極電流的準(zhǔn)確計(jì)算[1]。

早期設(shè)計(jì)陽(yáng)極層時(shí)，以自身積累的經(jīng)驗(yàn)為依托，使工作效率普遍偏低。在進(jìn)入信息化時(shí)代后，使用數(shù)值模擬法實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽(yáng)極層設(shè)計(jì)的優(yōu)化和升級(jí)。

3.4 接地系統(tǒng)與陰極保護(hù)的配合應(yīng)用

3.4.1 管道的接地與陰極保護(hù)配合

在安裝防雷和接地時(shí)，將其安裝到防雷接地極的電火花間隙位置，使防雷過程中的陰極保護(hù)系統(tǒng)得以高效的保護(hù)。在通常情況下，管道連接狀態(tài)下的電火花間隙始終處于開路狀態(tài)，不會(huì)給油氣管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)造成任何不良影響。油氣管被雷擊以后，會(huì)出現(xiàn)不同程度的故障，間隙被擊穿后，管道上的過電壓會(huì)被快速帶入大地中，使管道免受雷擊的傷害。

3.4.2 儲(chǔ)罐的接地與陰極保護(hù)配合

1）防雷接地極為直接安裝的陰極來保護(hù)陽(yáng)極，使單極雙用的效果得以實(shí)現(xiàn)。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的過程中，陽(yáng)極接地電阻不會(huì)超出防雷接地的范圍，陽(yáng)極連接電纜的截面也會(huì)比規(guī)范中要求的數(shù)值大，使接地保護(hù)電極和陰極保護(hù)陽(yáng)極的雙重作用得以實(shí)現(xiàn)。

2）將一層防滲膜粘貼到新建的罐體下方，在防滲膜中設(shè)置陽(yáng)極，在防滲膜外設(shè)置接地電極。分開陰極保護(hù)用的陽(yáng)極與接地電極，使接地電極中不會(huì)有陰極保護(hù)電子存在，使油液不會(huì)從罐底出現(xiàn)泄露的問題，避免地下水污染問題[2]。

3）將放電間隙設(shè)置在建成的儲(chǔ)罐避雷針接地極與儲(chǔ)罐管體的連接線上，一般情況下，放電間隙會(huì)保持開路狀態(tài)，使陰極保護(hù)電子不會(huì)發(fā)生從陽(yáng)極流向接地電極的現(xiàn)象。雷擊出現(xiàn)過電壓以后，擊穿放電間隙，使通路得以形成，雷擊的過電流被全部釋放到大地中。

4 結(jié)語

對(duì)于目前的工程項(xiàng)目來說，地下管道的腐蝕保護(hù)逐漸成為每個(gè)項(xiàng)目中必須提到的要求。在設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目的電氣和腐蝕保護(hù)的過程中，要協(xié)調(diào)陰極保護(hù)系統(tǒng)與電氣防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，防止二者之間出現(xiàn)任何不良問題。

在石油化工工程項(xiàng)目中，陰極保護(hù)的使用范圍越來越廣，陰極保護(hù)系統(tǒng)被更多的建設(shè)單位所認(rèn)可，顯著降低了金屬腐蝕對(duì)工程項(xiàng)目的長(zhǎng)期影響。