陰極保護(hù)在工程中的應(yīng)用

劉 佳 郭 超 張 欣 徐海濤 張 超 董 超（中國(guó)石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100101）

陰極保護(hù)在工程中的應(yīng)用

劉 佳 郭 超 張 欣 徐海濤 張 超 董 超
（中國(guó)石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100101）

金屬材料作為當(dāng)今最重要的工程材料，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域和日常生活中。腐蝕是導(dǎo)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(guó)家都非常重視防腐問(wèn)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(shù)的主要任務(wù)。近年來(lái)，陰極保護(hù)技術(shù)在防腐工程中的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，已經(jīng)成為防腐工程技術(shù)中的重要手段，本文探討了如何在工程中經(jīng)濟(jì)有效的發(fā)揮陰極保護(hù)技術(shù)這一問(wèn)題。

陰極保護(hù)原理；陰極保護(hù)方法；工程應(yīng)用

1 前言

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

2 陰極保護(hù)原理

陰極保護(hù)的原理是給金屬補(bǔ)充大量的電子，是被保護(hù)金屬整體處于電子過(guò)剩的狀態(tài)，使金屬表面?zhèn)€點(diǎn)達(dá)到同一負(fù)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(yīng)

極化現(xiàn)象產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)在于電子的遷移速度比電極反應(yīng)及其相關(guān)的步驟完成的速度快。進(jìn)行陽(yáng)極反應(yīng)時(shí)，金屬離子轉(zhuǎn)入溶液的速度落后于電子從陽(yáng)極流到外電路的速度，這就使陽(yáng)極上積累起過(guò)剩的正電荷，導(dǎo)致陽(yáng)極電位向正方向移動(dòng)；在陰極反應(yīng)中，接受電子的物質(zhì)來(lái)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(dǎo)致陰極的電位向負(fù)方向移動(dòng)。

2.2 極化曲線和極化圖

極化曲線能夠在有關(guān)腐蝕機(jī)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(jī)理和探討控制腐蝕途徑的基本方法之一。極化過(guò)程中形成的共同的混合電位在局部陽(yáng)極和局部陰極通過(guò)其各自的極化而形成，即金屬的腐蝕電位Ecorr。這時(shí)的局部陽(yáng)極氧化反應(yīng)速度與局部陰極的還原反應(yīng)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(yáng)極的真實(shí)陽(yáng)極極化曲線（Ee，a FPSA’）和局部陰極的真實(shí)極化曲線（Ee，c SMBD），以及該體系的實(shí)驗(yàn)的陽(yáng)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(xué)說(shuō)明陰極保護(hù)原理的理論基礎(chǔ)。如圖2所示為根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算獲得的Fe-H2O系電位pH圖。當(dāng)在pH值是6-7的中性的水中時(shí)，金屬鐵呈現(xiàn)活化腐蝕狀態(tài)，如果通過(guò)外加負(fù)電流產(chǎn)生的陰極極化即可使鐵電極電位從腐蝕區(qū)進(jìn)入免蝕區(qū)。免蝕區(qū)是一個(gè)熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)鐵的電極電位和溶液介質(zhì)的pH值處于免蝕區(qū)內(nèi)時(shí)使金屬腐蝕過(guò)程停止，即獲得了陰極保護(hù)。

3 陰極保護(hù)方法

3.1 犧牲陽(yáng)極保護(hù)法

選擇一種其電位比被保護(hù)金屬（結(jié)構(gòu)物）更負(fù)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(hù)金屬電連接，作為陽(yáng)極的活波金屬呈負(fù)電位，先行被腐蝕溶解在所形成的電化學(xué)電池中，因此這種金屬可以稱作犧牲陽(yáng)極，所需電位范圍是被保護(hù)金屬陰極極化釋放出的電子（即負(fù)電流），通過(guò)這一過(guò)程即可達(dá)到抑制腐蝕， 實(shí)現(xiàn)保護(hù)的目的。

3.2 外加電流陰極保護(hù)

外加電流陰極保護(hù)是通過(guò)外部電源來(lái)改變周圍環(huán)境的電位，使得需要保護(hù)的設(shè)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(gè)環(huán)境中的陰極，這樣需要保護(hù)的設(shè)備就不會(huì)因?yàn)槭ル娮佣l(fā)生腐蝕了。這種強(qiáng)制外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)是由整流電源、陽(yáng)極地床、參比電極、連接電纜組成的，主要用在大型設(shè)備的陰極保護(hù)或者土壤電阻率比較高的環(huán)境中的設(shè)備的陰極保護(hù)。

4 陰極保護(hù)工程應(yīng)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(shè)備的跑、冒、滴、漏，除了損失大量的有用介質(zhì)外，又造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)、爆炸、塌毀等災(zāi)難性事故。分析探索尋找經(jīng)濟(jì)合理的管道防腐控制措施是管道運(yùn)行系統(tǒng)中非常重要的工作，通過(guò)科學(xué)的防腐控制方法經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和在管道設(shè)計(jì)或施工中都應(yīng)重視防腐的重要性。

[1]周方勤.在役輸氣管道腐蝕剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究[J].成都：西南石油大學(xué)，2006.

[2]金屬腐蝕理論與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.

[3]趙文德.石油天然氣管道的腐蝕與防護(hù)[J].化學(xué)工程與裝備，2009.

[4]劉春波.埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)模糊綜合評(píng)價(jià)技術(shù)研究[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

TM862

A

劉佳，中級(jí)工程師，1979年生，2007年碩士畢業(yè)于沈陽(yáng)化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田選材、失效分析、防腐設(shè)計(jì)和新技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面的研究。