釕銥鈦合金電極的脈沖電流陰極保護研究

袁 旺

（西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065）

鈦基金屬氧化物是20世紀60年代發展起來的一種難溶性陽極材料，具有良好的耐蝕性和電化學性能，成品尺寸穩定性高，而且其價格比鉑電極便宜。因此，被廣泛的應用于冶金、化工、環保以及多種腐蝕環境中[1]。在上世紀末，國內逐漸的將鈦基復合金屬作為陰極保護的陽極應用于船體的保護中，并制定了相關的標準指導其應用。鈦基復合金屬電極主要是用于氯堿工業中，將釕銥金屬氧化物涂覆于鈦基金屬所制得的釕銥鈦 (化學表達式RuO2-IrO2-TiO2/Ti)電極是一種復合金屬電極。其中釕銥復合金屬涂層屬于多元涂層，主要目的是在降低析氯電位，而提高析氧電位，從而提高電極壽命。

在油氣集輸管道的防腐研究中，對于集輸管道的外腐蝕有多種措施進行防護，如涂層、陰極保護等，而且施工過程較為容易。經過作者的調查研究發現，大多數集輸管道的腐蝕主要是內腐蝕。對于管道的內腐蝕，尤其是站場集輸管道，由于插接點多、管線布局復雜，傳統的防腐措施很難有效實施。集輸管道中的輸送介質為原油采出液，是一種油水混合物，此種介質具有較高的礦化度，對管道的耐蝕性能要求極高，往往造成集輸管道內壁的電化學腐蝕。陰極保護是有效應對電化學腐蝕的辦法，近年來已有諸多的應用研究。脈沖電流陰極保護技術是一種特殊的陰極保護，利用脈沖電源對被保護對象進行供電使陰極極化，相比于普通的陰極保護技術具有諸多的優點。如具有良好的電穿透性，保護距離遠，電位分布更均勻，更加經濟節能等。因此如何將其應用于管道的內防腐中，以解決集輸管道等的內腐蝕問題已成為當前的一個研究方向。對于管道的內防腐研究，一般所使用的參比電極如甘汞電極、Ag/AgCl等無法應用于集輸管道內。釕銥鈦合金可制作成棒狀、絲狀、網狀等多種形狀，并且具有諸多良好的性能，因此研究如何將其應用于管道內防腐中是本文的主要研究內容。

1 實驗部分

1.1 實驗準備

為了能更好的體現實驗效果，實驗以20#鋼作為陰極材料，20#鋼為低碳鋼，在有氧環境中更容易發生氧化。實驗前，將陰極（20#）試樣分別用 80#、180#、400#、600#、800#、1000#砂紙打磨至光亮。并用無水酒精浸泡去油，取出干燥后備用。實驗時所使用的器材：AN5040D-M型方波脈沖電源、TDS1002數字示波器、HIOKI3239型高速數組萬用表、燒杯、飽和甘汞電極（參比電極）、釕銥鈦合金電極（若干），電極尺寸Φ2×160mm。

1.2 實驗過程

實驗前首先配制質量濃度為4%的NaCl溶液作為腐蝕介質，在常溫（20℃）下測量溶液的電阻率，實驗時將各個器件按圖1所示電路連接，釕銥鈦合金電極入水深度為100mm。

圖1 實驗原理圖

根據徐興龍[2]的研究發現，脈沖電流陰極保護過程中，當脈沖頻率為3000Hz，占空為50%時保護效果最好。因此在實驗過程中，選用方波脈沖電源，設定電源的脈沖頻率為3000Hz，占空比50%，通過調節電源設定輸出電壓在合理的保護范圍內。

實驗時需要測量甘汞電極電位，釕銥鈦作參比電極時的電極電位，實驗時每30min記錄一次數據。

2 結果討論

2.1 溶液的電阻率

根據金虎杰等[3]人的研究，溶液介質的電阻率隨著溶液濃度的增加在逐漸的降低，并得到溶液的電阻率與濃度之間的關系式（1）：

其中：ρ為溶液電阻率，n為溶液濃度，K為液體溫度不變時的常量。并用所測定NaCl溶液與電阻率之間的數據擬合K值為0.9982。經測定濃度為4%的NaCl溶液中的電阻率約為0.2Ω·m，因此4%NaCl溶液中的電阻值較低，在實驗過程中忽略溶液電阻對電位的影響。

2.2 釕銥鈦參比電極電位

鈦基氧化物參比電極電位標定時，采用雙參比電極的方式進行標定，即在同一個腐蝕體系中采用兩個參比電極測量同一個陰極電位的方式。同時用飽和甘汞參比電極和釕銥鈦合金參比電極測量4%NaCl溶液中20#的陰極保護電位。實驗時，環境溫度為20℃。測量時，每20min記錄一次數據，所得的參比電極電位隨時間的變化趨勢如圖2所示。

圖2 參比電極隨運行時間的變化

從圖2中看出，隨著運行時間的延長，兩種參比電極的電位都在逐漸的降低且逐漸的趨于穩定。甘汞參比在20min后便達到穩定狀態，而釕銥鈦合金參比電極需要在140min后才能達到穩定電位。整個測量時間段內，甘汞電極所測得的電位比釕銥鈦金屬參比電極低，穩定后實驗測得的電位差為590mV。以運行時間為自變量，電位差為因變量，利用Logistic函數擬合電位差隨運行時間的變化關系得到圖3所示的圖形。

圖3 電位差的擬合值

所擬合出的模型為式（2）：

其中各個參數的擬合值見表1。

從圖3及式（2）中看出，實測的電位差隨著運行時間的延長在逐漸的趨于穩定，而在式（2）中，擬合函數收斂于594.89。擬合模型計算的值與實測值吻合，說明擬合模型正確。用甘汞電極標定釕銥鈦合金時，以釕銥鈦合金參比電極所測電位減594.89mV即為甘汞參比電極所測電位。國家標準規定[4]，甘汞電極的標氫電位280mV，因此釕銥鈦合金參比電極的標準電位為甘汞電極的標氫電位，加上釕銥鈦合金參比電極與甘汞電極的電位差。

表1 電位差擬合模型的參數值

3 結論

經研究發現，釕銥鈦合金參比電極的保護電位比甘汞參比電極高，經過擬合后所得二者之間的差值為594.89mV；且釕銥鈦合金參比電極的所達到穩定的時間比甘汞電極的穩定時間長。