第一部分 阴极保护技术简介

23:582012/6/251/71X.Z.Lin林修洲四川理工学院材料与化学工程系联系方式：Email：[e-mail]：475233793MT：13890056301（62105）阴极保护课程设计阴极保护课程设计23:582012/6/252/71X.Z.Lin基本要求选做内容：设计结果还可从经济上进行比较（自学“阴极保护的经济性分析”）（1）根据设计任务单，完成两种方法的阴极保护设计设计中所需的大多数参数已在参数表中给出，未给出的参数应根据上课内容自行选定。（3）以课堂教学内容为基础，对阴极保护方法，特别是埋地钢质管道的阴极保护设计进行较系统的学习，学习成果应在设计说明书中有所体现。（2）完成设计说明书，设计说明书应至少包括以下内容：阴极保护的一般性介绍，两种方法的比较等；两种方法的设计过程与结果（包括方法选择、阳极与电源的选择、工艺计算、地床设计、辅助设施、施工要求、维护管理等）；对两种保护方法的设计结果进行比较（从技术上）；学习与设计体会，参考文献等。23:582012/6/253/71X.Z.Lin主要参考资料《埋地钢质管道阴极保护技术规范》，国家标准（GB/T21448-2008）《阴极保护手册》，[德国]W.V.贝克曼著，胡士信等译，人民邮电出版社《阴极保护工程手册》，胡士信（主编），化学工业出版社《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》，SY/T0019-97《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》，SYJ36-2000《电化学保护（腐蚀与防护全书）》，火时中，化学工业出版社《管道防腐蚀手册》，米琪、李庆林，中国建筑工业出版社《防腐蚀设计与工程》，章葆澄、朱立群、周雅，北京航空航天大学出版社《金属防腐蚀手册》，中国腐蚀与防护学会（编），上海科学技术出版社《腐蚀控制手册》，[美国]A.G.奥斯特罗夫著，王向农等（译校），石油工业出版社《工业管路腐蚀及其防护》，傅健影、海中兴，机械工业出版社《金属电化学保护》，李启中（主编），中国电力出版社23:582012/6/254/71X.Z.Lin第一部分阴极保护技术简介阴极保护技术简介23:582012/6/255/71X.Z.Lin1.发展简史2.基本原理3.保护参数4.实施方法5.特点与应用范围6.应用实例7.最新研究热点与发展趋势主要内容23:582012/6/256/71X.Z.Lin1、发展简史1、发展简史1.1第一位使用阴极保护方法的人——英国化学家（海军军官）戴维（Davy）1823年，受海军部委托，着手研究铜皮包覆的木船在海洋中的防护问题。(1)实验室：发现Cu与Zn或Cu与Fe接触（导线连接）可以使Cu受到保护。(2)1924年，实用性试验：首先，一艘军舰上试验(Cu皮/Fe阳极=80/1，获得良好保护效果）随后，一艘客轮：船首、船尾各加一块Zn（面积比Cu/Zn=100/1）效果更好。(3)结论：“当泡在液体中的不同金属用导线连接成回路时，一种金属的腐蚀受到促进，而另一种金属的腐蚀减慢，这就是铜船通过连接铁或锌而受到保护的原因。”23:582012/6/257/71X.Z.Lin1.2牺牲阳极保护原理的科学基础(1)法拉第（Faraday）——戴维的助手（学生），著名科学家继续研究铁在海水中的腐蚀，发现：铁在水面附近比在水底腐蚀更快。1833年提出著名的“法拉第电解定律”。1834年发现降低腐蚀与电流的定量关系，并首次明确定义了“电解质”、电极、阳极、阴极、阳离子、阴离子等概念，从而奠定了电化学的科学基础，阐明了阴极保护的原理。(2)其他科学家1906年，德国的哈博（F.Haber）在“Electrochemistry”杂志上，阐述了著名的测量电流密度、土壤密度、土壤电阻率和管道—土壤电位的电路。（使用锌—硫酸锌参比电极测量电位）1908年，麦克兰姆（Mc.Collum）首次采用“铜—硫酸铜参比电极”。(3)正式命名：1913年，在日内瓦召开的一次金属学会大会上，将牺牲阳极法正式命名为“电化学保护法”。23:582012/6/258/71X.Z.Lin1.3强制电流法的发展(1)研究始于1890年，美国著名发明家爱迪生（Edison）最早试验在船上采用外加电流实施阴极保护，但由于当时没有合适的电源和阳极材料而未成功。(2)1902年，科恩（K.Cohen）采用直流电机首次实现了强制电流阴极保护的实际应用。(3)1906年，(德国）盖波特（H.Geppert）建立了第一个管道强制电流阴极保护系统，并于1908年获第一个专利。(4)1905年，（美国）卡姆博兰德（E.Cumberland）对蒸汽锅炉采用强制电流阴极保护，并于1911年获专利。(5)1924年，（丹麦）加尔代格尔（A.Guldager）采用铝作为强制电流法德辅助阳极材料，进行了自来水厂的地下水管的内保护。23:582012/6/259/71X.Z.Lin1.4长输管道的阴极保护1928年，库恩（L.J.Kuhn）（美国阴极保护之父）在新奥尔良领导建立了第一条长距离输气管道的外加电流阴极保护工程（使用了第一台阴极保护整流器）。并且，通过实验发现-0.85V（相对于饱和CuSO4参比电极CSE）的电位差足以防止钢质管道在土壤中任何形式的腐蚀。随后，对管道实施阴极保护的工作迅速发展，《法国煤气》杂志曾报道过，至1970年已采用阴极保护技术的管道已有：德国：17000km，法国：20000km，前苏联：60000km，美国：640000km。23:582012/6/2510/71X.Z.Lin1.5近30年发展主要体现在技术应用上，由于所选设备、材料、附属装置等不断完善，检测、监控更加先进，应用范围不断扩大。如：海洋钻井平台、混凝土基础、化学容器等。同时，还制定了一系列规范和标准，使阴极保护技术日渐规范化，部分国家甚至通过制定法律来强制规定对某些设备（如：埋地输油、输气钢质管道）必须使用阴极保护技术。23:582012/6/2511/71X.Z.Lin1.6我国发展始于1958年，原交通部船舶科学研究所开始对船体阴极保护进行试验（350t钢壳船，锌合金牺牲阳极）。主要单位：四川石油勘探设计院（现：中国石油集团工程设计有限公司西南分公司）、原石油部管道设计院、原六机部725所，重庆有色金属研究所、福建三明无线电二厂，南通炭素厂，昆明冶金机械厂、成都科大（现：川大西区），东北输油管理局、中科院电工所。最近几年，着力于阴极保护系统优化设计方法的研究，如：天津大学进行了区域性阴极保护优化设计的研究，并编制了相应的软件。中科院金属所、大连理工、青岛海洋大学等也进行了类似研究。有关部门制定了一系列标准和规范。23:582012/6/2512/71X.Z.Lin2.1电位—PH图2、基本原理2、基本原理23:582012/6/2513/71X.Z.Lin2.2三个基本概念通过外加电流使金属的电位发生改变，从而防止或减轻金属腐蚀的防护方法。电化学保护：通过外加电流使金属的电位负移，从而防止或减轻金属腐蚀的防护方法。通过外加电流使金属的电位正移，从而防止或减轻金属腐蚀的防护方法。阳极保护：阴极保护：23:582012/6/2514/71X.Z.Lin2.3Evans极化图N23:582012/6/2515/71X.Z.Lin辅助阳极（Ic）Ia（I-）I-（Ia）阴极阳极辅助阳极IaIc阴极阳极Icor（自然腐蚀状态）电流关系？电流关系？2.4托马晓夫三电极模型23:582012/6/2516/71X.Z.Lin2.5反应过程分析阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH-阳极反应：自然腐蚀状态：Fe-2e→Fe2+阴极保护状态：Mg-2e→Mg2+或由外加电源提供电子23:582012/6/2517/71X.Z.Lin2.6阴极保护工程极化曲线23:582012/6/2518/71X.Z.Lin3、保护参数3、保护参数——阴极保护时，使金属腐蚀停止（或可忽略）时的电位值叫做保护电位（用Ep表示）。保护电位是借助参比电极测量的，实践中容易实现，故是阴极保护最基本的参数。3.1保护电位23:582012/6/2519/71X.Z.Lin从阴极保护原理分析容易看出，阴极保护的效果与保护电位值直接相关，保护电位是阴极保护设计和实施中需要控制的最重要的参数之一。保护电位一般有一个范围，通常保护电位准则给出了这一指标。不同国家有不同的阴极保护规范（标准），虽然内容各不相同，但都对保护电位作了严格的规定，而且大同小异。3.2保护电位准则23:582012/6/2520/71X.Z.Lin23:582012/6/2521/71X.Z.LinSY-T0036-2000埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范23:582012/6/2522/71X.Z.LinGB-T21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范23:582012/6/2523/71X.Z.Lin——被保护构筑物单位面积上所需的外加保护电流。（通常所说的保护电流密度实际上是指“最小保护电流密度”——即：使金属腐蚀降低至最小程度所需电流密度的最小值。）3.3保护电流密度影响因数很多：被保护构筑物表面状况（覆盖层：有、无、质量等）环境条件（T、PH、含盐种类及含量、介质流动、通气程度、微生物等）被保护金属种类N23:582012/6/2524/71X.Z.Lin过保护保护电流一般也有一个范围，当保护电流大于某一数值以后，会由于大量析氢而使金属表面涂层破坏等原因造成金属腐蚀速度加快。23:582012/6/2525/71X.Z.Lin23:582012/6/2526/71X.Z.Lin23:582012/6/2527/71X.Z.Lin保护程度——实施阴极保护使金属腐蚀速度降低的程度%100)1(%100corracorracorriiiiiP3.4保护效果技术指标经济指标acorracorriinFRTiinFRTElnlg303.2电位负偏移——实施阴极保护使金属电位降低（负移）的大小。NcorrppacorriiPiiiZ%100保护效率——施加的外加阴极保护电流中用于降低金属腐蚀的部分在总电流中所占的比重。23:582012/6/2528/71X.Z.Lin从上表可知，在实践中追求完全保护显然不合适，技术指标与经济指标之间存在矛盾。而是根据实验选取一个最佳保护状态，一般把P值选择在能保证阻止金属的溃疡腐蚀，并允许钢的均匀腐蚀速率在0.1mm/y的范围内。（NACE标准：选择使ΔE=100mV，此时，P=98%、Z=20%左右）23:582012/6/2529/71X.Z.Lin3.5适合实施阴极保护的腐蚀体系阴极极化率高的腐蚀体系（特别是受扩散控制的腐蚀体系）23:582012/6/2530/71X.Z.Lin4、实施方法4、实施方法牺牲阳极阴极保护法强制电流（外加电流）阴极保护法排流保护法注：阴极保护方法常与覆盖层保护等方法进行联合保护23:582012/6/2531/71X.Z.Lin4.1牺牲阳极阴极保护法原理:23:582012/6/2532/71X.Z.Lin牺牲阳极基本要求:1)要有足够的负电位，且很稳定；2)工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落；3)阳极必须有高的电流效率，即实际电容量与理论电容量的百分比数要大；4)电化学当量高，即单位重量的电容量要大；5)腐蚀产物无毒，不污染环境；6)材料来源广，加工容易；7)价格便宜。23:582012/6/2533/71X.Z.Lin牺牲阳极材料简介特点：密度小，电位负，极化率低（电位稳定），电化当量高，是牺牲阳极的理想材料。缺点：电流效率低（50%左右）镁及其合金23:582012/6/2534/71X.Z.Lin锌及其合金是最早用于牺牲阳极的金属之一。23:582012/6/2535/71X.Z.Lin特点：原料来源广，制造工艺简单，价格较低廉，是牺牲阳极材料的后起之秀。缺点：易钝化，需设法降低其钝化趋势（常用合金化方法）。分类