陰極保護:電化學保護技術-中文百科頻道

防腐措施

1、接地裝置的敷設安裝仍按原設計圖紙實施,其接地網的根數、長度，規格不變,即水平接地幹支線6000m,垂直接地極75根,集中接地12組。為加陰極保護需埋設鎂合金陽極184塊，按圖紙布放，且應與地網平行放置，與水平地網的垂直距保持500mm。

2、接地線采用熱鍍鋅防腐措施，在接地線拐彎處加塗環氧瀝青及導靜電塗料進行防腐。

3、電纜溝内的接地體，采用塗導靜電塗料或環氧瀝青兩遍，焊接處塗刷三遍，形成保護層，抑制鋼材的腐蝕。

4、犧牲陽極保護陰極法，在-50×5扁鋼水平接地體附近均勻分布陽極塊，采用鎂合金做陽極，靠近接地網安裝。由于兩極化學成分不同，在電介質中形成電位差而發生電化學腐蝕，陽極作犧牲，從而陰極接地網得到保護。

原理

陰極保護的原理是在線纜的金屬外皮上人為接入負電位，在一定距離之外的電極上接正電極，确保線纜的金屬外皮對地具有負電位。這樣就不會出現電流通過線纜的外皮向外流出的現象，這樣會起到保護線纜外皮的作用。如圖1所示。

設備

陰極保護使用的場合較多，它通常由一個電源變壓器和一個橋型整流器組成。陰極保護的電壓是可以調節的，使用的電源負荷較大。它把交流220V電源通過變壓器和整流電路變成直流，将負電極接至金屬外皮，正電極接地，确保線纜外皮對地保持适當的負電位，這樣線纜的金屬外皮就不容易受到腐蝕了。

陰極保護設備如果不用交流電，也可以用直流電池供電。但注意陰極設備應安裝在線纜外皮平均正電位最高的地點。

我們在術語“線路防蝕”中還提到陽電極的保護方法，這種防腐蝕措施的原理和陰極保護的原理是一緻的。但陽電極的方法不需要電源。将陽電極與線纜金屬外皮相連并埋在地下，陽電極的電位高于線纜外皮電極的電位，它與電纜外皮構成原電池，由陽電極流向電纜外皮的電流，可以抵消電纜外皮流出的電流，這樣陽電極就代替線纜的金屬外皮受到腐蝕，“李代桃僵”通過犧牲陽電極的方式保護了電纜，大家應該知道，陽電極為何也稱為“犧牲電極”了吧。

檢查測試

1.所有強制電流電源每兩月檢查一次，間隔長一些或短一些也可能是合适的。運行正常的判據是：電流輸出、正常的功耗、表示正常運行的信号或官道上令人滿意的陰極保護水平。

2.作為預防性維護計劃的一部分，為最大限度地減少使用中的損壞，所有強制電流保護設施應每年檢查一次。檢查内容包括電氣故障、安全接地的連接點、儀表的精度、效率及回路電阻。

3.反向電流開關、二極管、幹擾跨接和其他保護裝置等，如果失效可能危及構築物的保護，其正常的功能檢查應每兩個月一次。

4.應定期檢查并評價絕緣接頭、電連續性跨接及套管絕緣的有效性，可通過電測量完成。

具備條件

在采用陰極保護時，應具備以下條件：

1.被保護構築物必須是可導電的金屬件，且具有足夠低的縱向到點率；

2.與低歐姆的接地裝置不得有金屬導電性連接；

3.容器和管道均應具有足夠電阻率的防腐層。

注：随着防腐層電阻的增大，保護電流密度相應地降低，越加有利于電流均勻分布，擴大保護範圍。當保護電流密度增大時對外部裝置的幹擾影響也增加。

若管道建在或運行在高壓電裝置附近，就必須遵循Akf第三号推薦标準。若考慮到防爆和放接觸電壓，需要與接地的外部設備進行電連接或者這類連接決不可被取消，這是應按照Afk第九号标準推薦采用局部陰極保護技術。

局部保護

概況

常用陰極保護的基本原則是将受保護的構築物與所有低接地電阻的裝置實現電分離。但是，這在工業裝置上是個很大的技術難題，因為管子非常多，管徑相當大。要将它們實現電分離不僅費用昂貴，而且在正常使用中，它們可能與外部裝置電接觸或絕緣接頭跨接，容易産生很多問題。

在管道系統改造或擴建過程中，這個問題尤為突出。在爆炸危險的裝置和輸送電解液的管道上實施陰極保護也存在技術難題。如果用大口徑管道輸送低電阻率的電解質，那麼在絕緣接頭未受保護一側，就會有被陰極保護電流引發内腐蝕的危險。

在工業裝置上管道的腐蝕危險一般比長輸管道中的腐蝕危險大，因為在大多數情況下，管道會與鋼筋混凝土基礎形成腐蝕電池。在不同種類的工業裝置區域内能夠利用區域陰極保護來克服這種腐蝕危險，所用方法類似于局部陰極保護的方法。受保護的區域是沒有限制的，也就是說管道與連接的和分支的管道之間是沒有電絕緣的。

目的

局部陰極保護的目的不僅是要補償外部陰極構築物的電池電流，而且要使被保護的構築物充分陰極極化，從而滿足陰極保護準則要求。因為被保護的構築物與外部陰極構築物之間的接觸電阻非常低，并且外部陰極構築物的接地電阻非常低，所以不成比例的大部分陰極保護電流要流到外部陰極上。

設置強制電流輔助陽極地床的目的就是要增加被保護的構築物的保護電流分量。除了受保護的構築物與外部陰極構築物的幾何尺寸外，土壤的電阻率對其有很大影響。與常規陰極保護不同的是，受保護的構築物基本上是在強制電流輔助陽極的電壓錐範圍内。為此，考慮到各個組成部分不同的保護電流需要量，所以不能把土壤當做一個等電位空間來看待。在局部陰極保護中管地電位的變化隻與附近的參比電極有關系，而與遠方大地電位少有聯系。

特點

由于土壤條件的差異以及與混凝土中鋼筋陰極形成腐蝕電池，加劇了工業裝置中埋地設施的腐蝕危險。這些外部陰極的靜電位介于U=-0.2~-0.5V之間。影響電池形成的因素有水泥的類型、混凝土的水灰比、混凝土的充氣狀态等。電池電流密度取決于很大的陰極面積。在工業裝置上，混凝土中鋼的表面積通常大于10000平方米。

為了使所有管子受到全面的陰極保護，外部陰極構築物必須極化達到保護電位，即在外部陰極構築物附近的Uon必須肯定比Us更負。與此相比，受保護的構築物的陰極保護電流需要量小的可以忽略不計，在工業裝置中保護電流需要量一般都超過100A。

檢查和測試

局部陰極保護檢查和測試的内容

腐蝕簡介

1）重要性

1972年，美國NACE協會估計每年損失是100億美元，1976年BMR研究所調查每年損失接

近700億美元。美國國會非常震驚，對此要求貿易部進行證實，1982年發表的數據是每年損失126億美元。考慮到國家高速公路、水、廢水、廢氣、地下儲罐、因腐蝕造成的污染，每年的損失是3000億美元，占GDP的5%。1998年，我國工程院曆時3年對全國的腐蝕進行調查，調查結果表明我國腐蝕造成的損失達5000多億元。

2）腐蝕原因

金屬是從礦石中提取出來的，在提煉過程種必須要給它一定的能量，使其處于高的能量狀态。材料基本規律總是趨向于最低的能量狀态，因此金屬都是熱力學不穩定的，具有和周圍環境（如氧和水）發生反應的趨勢，以達到較低的、更穩定的能量狀态，如生成氧化物。以鐵為例：陽極：Fe-2e→Fe2+陰極：O2+4e+2H傳钯4OH-Fe2++2OH-→Fe(OH)Fe(OH)2+1/2O+H傳钯二Fe(OH)錠

3）腐蝕傾向

對于所有的金屬的腐蝕傾向理論上采用電位的概念進行比較。電位負的金屬，活性較強，容易發生腐蝕。電位正的金屬活性相對較弱，腐蝕傾向性小。

4）控制措施

多年的實踐證明，最為經濟有效的腐蝕控制措施主要是複蓋層(塗層)加陰極保護。與國外相比，我國75%的防蝕費用用在塗裝上，而電化學保護使用的相對較低。

5）施加塗層後，為什麼還會腐蝕

塗層的作用主要是物理阻隔作用，将金屬基體與外界環境分離，從而避免金屬與周圍環境的作用。但是有兩種原因會導緻金屬腐蝕。一是塗層本身存在缺陷，有針孔的存在；二是在施工和運行過程中不可避免塗層會破壞，使金屬暴露于腐蝕環境。這些缺陷的存在導緻大陰極小陽極的現象，使得塗層破損處腐蝕加速。

效果判據

1）普通鋼陰極保護準則

施加陰極保護時被保護結構物的電位負移至少達到-850mV或更負(相對飽和硫酸銅參比電極CSE)。相對于飽和硫酸銅參比電極的負極化電位至少為850mV。在構築物表面與接觸電解質的穩定參比電極之間的陰極極化值最小為100mV。存在硫酸鹽還原菌的環境，被保護結構物的電位負移至950mV(CSE)或更負。

2）鋁合金陰極保護準則

構築物與電解質中穩定參比電極之間的陰極極化值最小為100mV，準則适用于極化建立或衰減過程。極化電位不應負于-1200mV（CSE）。

3）銅合金陰極保護準則

構築物與電解質中穩定參比電極的陰極極化值最小為100mV。極化建立或衰減過程均可以被應用。

4）異種金屬陰極保護準則

所有金屬表面與電解質中穩定參比電極之間的負電壓等于活性最強的陽極區金屬的保護電位。

5）高強鋼陰極保護準則

700MPa以上的鋼腐蝕速率降低至0.0001mm/a的保護電位為-760～-790mV(Ag/AgCl)。在存在硫酸鹽還原菌的環境下，鋼屈服強度大于700MPa，保護電位應在800-950mV(Ag/AgCl)的範圍内。屈服強度大于800MPa的鋼，其保護電位應不低于-800mV(Ag/AgCl)。

技術問答

1）什麼是強制電流陰極保護系統？

強制電流陰極保護系統又稱為外加電流系統，是在被保護結構周圍同一電解質環境中埋設輔助陽極，通過一直流電源以輔助陽極為陽極，以被保護結構為陰極，構成供電回路，将直流電通向被保護的金屬，使被保護金屬強制變成陰極以實施陰極保護。

2）什麼是犧牲陽極陰極保護系統？

犧牲陽極法是用一種電位比所要保護的金屬還要負的金屬或合金與被保護的金屬電性連接在一起，依靠電位比較負的金屬不斷地腐蝕溶解所産生的電流來保護其它金屬的方法。

3）強制電流陰極保護系統的組成有什麼？

強制電流陰極保護系統主要由電源、控制櫃、輔助陽極、焦炭（碳素）填料、電纜、控制參比電極、電位測試樁、電流測試樁、保護效果測試片、電絕緣裝置、電絕緣保護裝置。

4）電源的作用是什麼？

電源的作用是向陰極保護系統不間斷提供電流。電源主要有恒流、恒壓整流器、恒電位儀。

5）電源的類型主要有哪幾種？

從整流形式上主要有可控矽、磁飽和、數控高頻開關。可控矽和磁飽和恒電位儀體積較大、紋波系數較大、控制精度較差，效率較低(低于70%)不易實現數字化。磁飽和恒電位儀除了上述不足外，額定功率20%以下的輸出無法控制。數控高頻開關恒電位儀體積較小、紋波系數小、控制精度高、效率較高（90%以上）。

6）輔助陽極的作用是什麼？

輔助陽極的作用是通過介質(如土壤、水)與管道之間形成電回路。通過在陽極表面發生電化學反應，不斷向陰極結構提供電子，從而使陰極極化到保護電位。

7）輔助陽極的種類有多少?

輔助陽極根據有廢鋼、矽鐵、石墨、混合氧化物陽極、柔性陽極、貴金屬電極等。

8）控制參比電極的有那些？

控制參比電極主要有長壽命飽和硫酸銅參比電極、高純鋅參比電極、銀/氯化銀參比電極、二氧化钼參比電極。土壤中可使用飽和硫酸銅參比電極和高純鋅參比電極，水介質中使用高純鋅參比電極和銀/氯化銀參比電極。二氧化钼參比電極主要用于混凝土中。飽和硫酸參比電極的壽命一般小于10年。其它的參比電極可以根據壽命來設計。

9）為什麼需要采用電絕緣？

在陰極保護技術中，要求被保護結構需要電絕緣，主要是由于如果不絕緣，保護電流會流失到未被保護的金屬構築物上，設計的電流需求量可能不足，保護效果不理想，另外，可能會産生雜散電流的幹擾。電絕緣要根據結構的實際情況進行考慮。

10）測試樁的作用是什麼？

測試樁的作用主要是用于檢測陰極保護效果和運行參數。根據作用不同有電位測試樁、電流測試樁、保護效果測試片測試樁樁。

11）犧牲陽極陰極保護系統的組成有什麼？

土壤中，犧牲陽極陰極保護系統主要有犧牲陽極、填包料、和測試樁組成。水環境中，除導線連接外，犧牲陽極也可直接焊接到被保護結構上。

12）犧牲陽極主要有那些？

對于鋼鐵來說犧牲陽極主要有鎂合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極、鋅合金犧牲陽極。鎂合金犧牲陽極主要應用于高電阻率的土壤環境中。鋁合金和鋅合金主要用于水環境介質中。鋅合金也可用于土壤電阻率小于5Ω?m的環境中。

對于其它金屬來說，活性較高的金屬都可以用作它的犧牲陽極，如用鐵作為犧牲陽極來保護銅。

運行維護

1）陰極保護投入前的準備和驗收

陰極保護投入前應該對被保護管道進行檢查。沒有絕緣就沒有保護，在施加陰極保護電流之前，必須确保管道各項絕緣措施正确無誤，管道表面防腐層應無漏敷點，被保護管道應具有連續性的導電性能。

2）陰極保護站的日常維護管理

檢查各電氣設備電路連接的牢固性，安裝的正确性，電器元件是否有機械障礙。檢查配電盤上熔斷器的保險絲是否按規定接好。觀察電器儀表，在專用的表格上記錄輸出電流、通電電位數值，與之前的記錄對照是否有變化。定期檢查工作接地和避雷器接地，并保證其接電電阻不大于10歐姆。搞好站内設備的清潔衛生，注意保持室内幹燥，通電良好，做好通風，防止儀器過熱。

3)犧牲陽極的維護

1、管道犧牲陽極的保護日常維護工作不多，除按外加電流陰極保護的要求進行保護電位測量，測試樁維護保養，絕緣接頭檢測，接地故障排除等工作外，建議每年測定各參數。據此分析管道保護狀況。若樣機性能變壞，則需采取相應的措施。

2、在年度檢測時，可以測量犧牲陽極的輸出電流，修複斷開的電纜。

3、如果陽極輸出電流明顯減小，而陽極并沒有達到其壽命，陽極電纜短路是常見的原因。可以将電流表串聯在陽極電纜中測量陽極輸出電流，也可以在陽極電纜中串聯一支0.1Ω的電阻，通過測量該電阻上的電壓降，計算陽極電流輸出。

4、陽極的接地電阻為陽極開路電位減去陽極閉路電位再除以陽極輸出電流。

4）陰極保護系統常見故障分析

1、管道絕緣不良，漏電故障的危害

在陰極保護站投入運行，或犧牲陽極保護投産一段時間後，出現了在規定的通電點位下，輸出電流增大，管道保護距離卻縮短的現象或者在犧牲陽極的系統中，犧牲陽極組的輸出電流量增大，其值已超過管道的保護電流需要，但保護點位仍達不到規定的指标的現象。稱之為印記保護管道漏電。

2、造成漏電的原因

施工不當、絕緣接頭失效或漏電、金屬套管穿越處、管道與接地網短路。

3、如何判斷管道與接地網短路

判斷接地極與管道是否短路，可采用測量電位的方式。利用參比電極分别測量管道和接地極的電位，短路的接地極電位和管道電位是一樣的。或測量接地極及管道的之間的電位差，如果兩者之間電位為零，則可以判斷，接地網與管道短路。

4、防腐層漏電點的查找

利用DCVG查找管道防腐層破損點，從而确定管道的漏電點或短接點的方法。此方法首先将脈沖信号送到被測管道上，如果管道防腐層良好，流入管道的電流很弱，儀表沒有顯示。如果管道防腐層有破損，電流将從土壤中通過破損處漏入管道，電流的流動會在周圍土壤中産生明顯的電位梯度。當探測人員手持兩個參比電極在管道正上方探測行走時，伏特計獎明信的抖動，當伏特計指針停止抖動時，兩個參比電極的中間即為防腐層漏點位置。

5)管道沿線近間距電位測量

通常采用在測試樁上測量點位的方式來檢查陰極保護系統工作狀況，采用這種方式，即便管道塗層出現漏點，如果該漏漏點距離測試樁較遠，就很難通過測試樁電位測量來發現。因此，電位測量建和越近，測量結果越嫩反應管道陰極保護的實際情況。為了消除IR降，在陰極保護電路中裝中短器，所有與被檢測管道相連的電源都要同時通斷，從而測量袋管道的通、斷電位。

6)管道防腐層老化檢測

電磁法可以反應防腐層的總體狀況，管道埋深以及塗層缺陷位置。其原理是給管道輸入一個電壓信号，檢測器沿管道檢測信号的衰減程度。在防腐層均勻的情況下，信号的衰減呈平滑的曲線，當信号有突然的衰減時，說明該管道上有塗層漏點。

7)陰極保護系統中維護種的安全問題

再去工地的路上，不論是乘車、乘船、乘飛機，都要注意安全。野外測量時，注意毒蛇、猛獸的襲擊。在整流器上工作時，斷開面闆上的開關不代表對設備内部進行操作就安全。應該斷開交流電源，并安裝安全鎖及标簽。接觸整流器前要用電筆試一下外殼是否帶電。