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牺牲阳极应用中的几个问题


牺牲阳极应用中的几个问题
王芷芳 天津大学材料学院 300072 朱安纲 天津市煤气工程设计院 300381 摘要: 本文从牺牲阳极应用范围、阳极材料的选择、阳极埋土环境、阳极 在升温条件下的工作、介质成分的影响、以及阳极布置、带状阳极等方面说明牺 牲阳极在应用中需注意的几个问题. 关键词: 镁阳极、锌阳极、铝阳极、应用、注意事项 一牺牲阳极应用范围 ·SY/T0019

-97 (埋地钢质管道牺牲阳极保护设计规范)一般规定: 3.0.4 被保护的管道应具有质量良好的覆盖层,新建管道的覆盖层电阻不得小于 10000Ω.m2, 否则不宜采用牺牲阳极。 对于旧管道, 应根据具体需要决定。 3.0.5 当土壤电阻率大于 100Ω.m 时不宜采用牺牲阳极。 以上两条告知:牺牲阳极适用在具有良好覆盖层,以及土壤电阻率低的场合。 否则技术上不可行或经济上不合理。通常强制电流阴极保护不受此限制。 二、牺牲阳极种类的应用选择: 按上述标准 土壤中牺牲阳极种类的应用选择 可选阳极种类 土壤电阻率Ω.m 带状镁阳极 >100 镁(-1.7V) 60~100 镁 40~60 镁(-1.5V) <40 镁(-1.5V)、锌 <15 锌 <5 从表中得知:镁阳极用在高土壤电阻率、淡水; 锌阳极用在低土壤电阻率、 海水、咸水; 铝阳极不宜用在土壤中、可在海水中使用。 三、牺牲阳极埋土环境的重要性 据四川石油设计院钟富荣调查报导[2] 北滩油库输油管道的镁阳极使用 6 年 后,北京一条液化气管道镁阳极埋于菜地使用 14 年后,都能输出相当大的保护 电流。与之相反,埋于土壤不那么潮湿的野草地里,镁阳极只能输出小得多的电 流。锌阳极情况与镁阳极相似。这说明把带填包料的牺牲阳极埋于持久潮湿土壤 里,才能长期正常运行。笔者在塔里木的塔中作业区,处于干燥少雨的沙漠,镁 阳极驱动电位很低,开路电位正移,仅能发出几个毫安甚至微安级电流。阳极表 面形成坚硬外壳,不均匀溶解,呈坑蚀状,管道未受到保护。 北滩油库输油管道的镁阳极使用 6 年仍能输出大电流, 是因为镁阳极四周填 料在水分持久充足的土壤里,镁阳极外层未生成高电阻腐蚀产物。石楼一燕山管

道镁阳极埋地 5 年完全输不出电流,是因为镁阳极埋于不很潮湿的土壤中,挖出 检查,观察到镁阳极外层有高电阻腐蚀产物。以上实例说明要求把镁阳极埋于水 塘边或水稻田、水沟旁深处潮湿的土壤里。同样埋于四川气田旱地约 2 年的锌阳 极输出电流比初埋入时小很多, 开路电位正移。 而埋于水稻田的锌阳极输出电流, 开路电位都无明显变化。作者对使用 3 年以上 20 支锌阳极,观察结果凡埋于旱 地的锌阳极外壁有白色渣状或块状高电阻腐蚀产物。立式埋设阳极,中上部腐蚀 轻与原尺寸无明显变化,下部腐蚀重,尺寸明显减小。因为氧会促使生成高电阻 腐蚀产物,埋的越深,越潮湿的土壤含氧少。阳极腐蚀产物导电,不生成硬壳, 保持长期输出大电流。因此,牺牲阳极设计与施工要注意,保证把阳极埋入要求 的位置和深度。在不那么潮湿的土壤里使用牺牲阳极,可通过增大填料厚度,每 年少雨季节隔一段时间一次性或多次绐土壤浇水,能有效地减轻土壤中氧的危 害,确保牺牲阳极长期正常运行。 四、牺牲阳极在升温条件下工作[3] 镁、铝、锌阳极,在高于室温下工作,电化学性能都会降低。常温锌阳极随温度 升高,晶间腐蚀倾向加大,电流效率降低。使用限制锌中铝含量的耐高温的锌阳 极,没有晶间腐蚀,电流效率下降很少。纯锌阳极在升温条件下,会发生极性逆 转。铝阳极、镁阳极随温度升高,发生电流加大,自腐蚀加大,电流效率低于 50%,阳极溶解不均匀。 五、介质成分对牺牲阳极性能的影响[4] Zn 基阳极: 标准电势-0.762 伏(VS.SHE),理论发生电量 0.82 安.时/克,PH<7 以 Zn2+存在,PH>11 以 Zn022-溶解,以上两区是腐蚀区,PH=8~11 生成 Zn(0H)2 处 于钝化区,溶液中含 HCO3-、NO3-、CO32-,Zn 电位急剧正移,加入高浓度 SO42后,Zn 阳极又恢复到较负电位,见图 1,见图 2。
-1.00 Zn 电位 V (VS SCE) -0.90 -0.80 -0.70 -0.60 -0.50 -0.40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 时间 小时 {600ppmHCO3-,73ppmNO3-,20ppmCO32-} {700ppmSO42-,600ppmHCO3-,73ppmNO3-,20ppmCO32-}

图 1 碳酸氢根富集的环境中,高浓度硫酸根加入对 Zn 阳极电位的影响
-1.00 Zn 电位 V (VS SCE) -0.90 -0.80 -0.70 -0.60 -0.50 -0.40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 时间 天 饱和 CaSO4 石膏加入 {600ppmHCO3-,73ppmNO3-,20ppmCO32-}

原来环境加入石膏 CaSO4 立刻发生电位急剧负移。 图 2 原环境中加入石膏 CaSO4 后对 Zn 阳极电位影响 我国的几大油田土壤和地下水的成分不同,因此使用阳极要格外慎重。如大 庆油田是 NaHCO3 型,使用锌阳极会发生钝化,而使阳极失效,可以考虑用镁或 铝阳极。在土壤中使用化学填包料中大量石膏就起活化阳极使阳极电位负移作 用。 Mg 基阳极: 标准电势-2.37 伏(VS.SHE),理论发生电量 2.21 安.时/克,PH<12, 以 Mg2+存在是腐蚀区, PH>12 生成 Mg(OH)2 处于钝化区。 SO42-浓度增加电位 随 负移,加入 NaCL 阳极效率下降。当土壤电阻率小于 10Ω.m,PH≤4 时不宜采 用 Mg 阳极。对在磷酸盐、碳酸盐类土壤中使用,应对可能产生阳极钝化加以注 意。 AL 基阳极: 标准电势-1.66 伏(VS.SHE),理论发生电量 2.93 安.时/克,PH<4 以 AL3+存在,PH>8 以 ALO2-形式溶解,以上两区为腐蚀区,PH=4~8 生成 AL2O3 处于钝 22化区。在酸性和碱性介质中表面膜溶解。溶液中含 SiO3 、SO4 会使 AL 钝化,此 外,CrO42-、NO3-、CLO4-等阴离子也会使 AL 钝化,CL-破坏钝化,氯化物盐的加入 如 MgCL2 或 NaCL 加入,会使 AL 阳极活化。因此,AL 阳极填包料与 Zn、Mg 阳极 填包料成分完全不同,应用时要考虑活化阳极所用的化学成分。由此可得知 AL 阳极适宜在海水中工作。 六、阳极填包料 化学填包料有多种成分组成,有的配方中可溶性盐含量较多,这些盐溶水流失, 填包料量减小,最初效果好,以后随盐分流失,阳极地床接地电阻逐渐增大。石 膏粉是改善 Zn、Mg 阳极性能,活化阳极,使它溶解均匀的重要成分,要保证有 足够量。 因此, 多年实线证明:镁、 锌阳极最佳填包料配方是下列重量比:生石膏: 膨润土:硫酸钠=75:20:5 为合宜。 七、阳极的布置 阳极单支或成组埋设均可,成组埋设的阳极因电场的相互影响,组内几支阳极共 同发出的电流远远小于单支阳极发出电流的几倍,阳极有效利用率太低。成组布 置阳极间距加大,影响保护电位分布的均匀性,单支分散布置,即提高阳极利用 率, 又因阳极间距缩小而做到保护电位分布均匀。 实践证明比成组布置更为优越。 八、带状镁阳极的使用 带状镁阳极用高纯镁或镁、锰合金制造,电位负(-1.7V),用在高土壤电阻率环 境中,如大于 100Ω.m 土壤。单重 0.37Kg/m,由于单位重量表面积大,发出电 流大,电流输出如下:当土壤电阻率 50Ω.m,输出电流 10mA/m;淡水电阻率 150 Ω.m,输出电流 3mA/m。由此看出,它不适用电阻率小的环境中,因它消耗太快。 套管内输送管能否用镁带,要取决了套管内介质电阻率,如果进入套管的介质电 阻率小,带状阳极消耗太快,寿命短,不如用块状阳极,可与外管同寿命,而且 价廉。镁带可以做为临时性保护或借助于使用期较短的镁带对钢表面进行予极 化。 九、复合式阳极的应用 复合式阳极由镁和锌或镁和铝两部分组成,锌或铝在芯部,镁在外部。或设计镁

阳极与锌阳极(或铝阳极)混用,这两种阳极材料由于驱动电位相差较大,实现先 由镁阳极对钢材迅速进行予极化,从而降低达到保护电位所需要的保护电流密 度,可相应减少维护保护安培·小时额定量,比较镁包覆锌阳极与普通锌阳极, 所需阳极数量减少,平均使用费用节约 15~20%。 十、牺牲阳极在其它方面的应用 1、牺牲阳极可做成接地电池: 它是由两支或四支牺牲阳极(多用锌阳极),用塑 料垫块隔开,并成双地绑在一起,装在填满导电性填包料的袋子里,由被隔 开的牺牲阳极,各引出一根导线接至绝缘接头或绝缘法兰两侧,一旦有强电 冲击,强大的电涌将通过填料的低电阻传到另一侧,而不破坏被保护构筑物。 接地电池导线可直接焊在管道上,也可通过测试桩与管道引线相连。笔者主 张直接焊接更稳妥,否则测试桩遭人为破坏,或连接不好,接地电池不能发 挥作用。 2、牺牲阳极可做成接地极: 牺牲阳极除了防蚀外,还具有接地功能代替惯用的 铜或钢接地极它有二个好处 (1)不影响构筑物本身的阴极保护 (2)若无阴极 保护不会因接地而引起构筑物的电偶腐蚀。可单支、二支或三支串联使用。 施工时,笔者建议在接地极外,同牺牲阳极,也同样使用填包料,这样做也 有二个好处 (1)将接地极直接与土壤接触改为通过填包料再与土壤接触进一 步降低接地电阻 (2)由于填包料的化学成分进一步活化接地极避免发生钝 化,也进一步降低接地电阻。可减少接地极的数量。 3、作参比电极: 作参比电极用的锌必须是高纯锌(99.995%以上), 或锌铝硅电极。 在土壤中使用必须有化学填包料,若阴极保护电位相对 Cu/饱和 CuSO4 参比 电极为-0.85V,相对锌参比电极电位为+0.25V。笔者提醒注意,这—数值是 当锌参比的开路电位是-1.10V 时, 它们之间的差值:即-0.85 一(-1.10)=+0.25V。 要保持锌参比在稳定的-1.10V,就要求锌参比电极长年埋在潮湿的土壤中, 如果土壤干燥,锌电位要发生正移,比较基准的改变使保护电位的数值也随 之变化,那就不再是+0.25V 了。此点应引起注意,经常用便携式 Cu/饱和 CuSO4 参比电极进行锌参比电位值校正是十分必要的。

参考文献 1、SY/T0019-97 埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范 中国石油天然气 总公司发布 1998 实施 2、钟富荣 牺牲阳极埋土环境重要性 腐蚀与防护 2001 年第 5 期 3、王芷芳 牺牲阳极在高温下电化学性能的测定 化工腐蚀与防护 1994 年 第2期 4、GEORGE W KURR,Materials Performance April,1979.

编辑:今寄去本文可修改并给于答复.以前(年初)曾寄一篇题为{消除实施阴极 保护的一些模糊观点},不知收到没有是否录用,请绐于答复。 王芷芳 2002/6/15


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