工程風采
Engineering Style
陰極保護的重要性及其在腐蝕防護中的應用
發布時間:
2019-02-18
一、陰極保護發展史概述
陰極保護是利用電化學原理進行腐蝕防護的技術。
1824年，英國海軍科學家David發現，當將兩種不同的金屬連接在一起并侵入電解質之后，一種金屬腐蝕加速，另一種金屬得到一定程度的保護。根據這一發現，他建議在艦船上的銅制船底上安裝鐵或者鋅對其加以保護，這就是陰極保護的最早應用。
20世紀初，油氣管道的應用越來越廣泛同時有關腐蝕的問題也變得非常嚴重。在1920年，美國新奧爾良州第一次對埋地管道實施了陰極保護。到20世紀30年代初期，美國幾乎所有的埋地油氣管道都采用了陰極保護技術。1936年，美國成立了“中州陰極保護協會”用來交流陰極保護技術，1943年，該協會正式更名為“美國防腐蝕工程師協會”(NACE)該協會為全世界陰極保護技術的發展做出了重要貢獻。
陰極保護在我國的應用開始于1958年，首次應用于克拉瑪依到獨山子輸油管道。到60年代，陰極保護已廣泛應用于輸油管道。自上世紀90年代末期，開始對儲罐底板施加陰極保護，到目前為止，幾乎所有的輸氣油管道、儲罐、海洋結構都施加了陰極保護。對于輸水管道、混凝土鋼筋碼頭的陰極保護也逐漸展開。
二、金屬的構成與腐蝕
金屬是由原子構成的(化學不可分割的最小單位)，原子是由原子核和圍繞原子核高速旋轉的電子組成(物理分割)。
原子核是由質子和中子構成。原子中的質子和電子數量相當，不顯電性，中子不帶電。
金屬在電解質中，原子核受水中氫氧根離子的吸引(負離子)，丟掉電子，進入溶液生成腐蝕產物。丟掉的電子被溶液中的氫離子俘獲，生成氫原子。
三、腐蝕的危害
輕則污染環境，重則發生突發事故，造成群死群傷事件。必須引起足夠的重視。
2013年11月22日凌晨3點，位于青島市黃島區秦皇島路與齋堂島路交匯處，中石化輸油儲運公司濰坊分公司輸油管線破裂，事故發現后，約3點15分關閉輸油，齋堂島街約1000平方米路面被原油污染，部分原油沿著雨水管線進入膠州灣，海面過油面積約3000平方米。黃島區立即組織在海面布設兩道圍油欄。處置過程中，當日上午10點30分許，黃島區沿海河路和齋堂島路交匯處發生爆燃，同時在入海口被油污染海面上發生爆燃。
山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故認定為責任事故，事故共造成62人死亡、136人受傷，直接經濟損失7.5億元。
四、腐蝕的定義
腐蝕的定義1腐蝕：金屬與環境介質間的物理-化學相互作用，其結果使金屬的性能發生變化，并常可導致金屬、環境或由它們組成的作為部分技術體系的功能受到的損傷。
腐蝕的定義2：我們把金屬與周圍的電解質發生反應、從原子變成離子的過程稱為腐蝕。
腐蝕的定義3：金屬材料和周圍環境發生化學或電化學的作用而破壞。
腐蝕過程的本質：金屬 → 金屬化合物
總結：
腐蝕是一種趨勢。換句話說，大多數的金屬處于熱力學不穩定性，具有尋求低能量狀態的傾向，如氧化物或其他化合物。
五、陰極保護基本原理
腐蝕電位(自然電位)：每種金屬浸在一定的介質中都有一定的電位，稱之為該金屬的腐蝕電位(自然電位)。
腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負愈容易失去電子。
我們稱：失去電子的部位為陽極區。得到電子的部位為陰極區。
陽極區由于失去電子(如，鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤)受到腐蝕，陰極區得到電子受到保護。
六、陰極保護的原理和實施方法
陰極保護的原理：是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態，使金屬表面各點達到同一負電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。
這個原理就是我們前面所說的消除腐蝕電流I，有兩種辦法可以實現這一目的：
1、犧牲陽極陰極保護
2、外加電流陰極保護
七、金屬的腐蝕與防護
腐蝕是指(包括金屬和非金屬)在周圍介質(水、空氣、酸、堿、鹽、溶劑等)作用下產生損耗與破壞的過程。
金屬腐蝕分類：化學腐蝕和電化學腐蝕
腐蝕破壞性巨大，經濟損失約占國民生產總值的5%左右。
腐蝕的防護：涂層比例占98%，陰極保護僅占2%。
涂層與陰極保護在防腐領域是相輔相成關系。涂層是治表，起著隔離介質作用;陰極保護是治本，起著消除腐蝕電流產生的作用。表本結合是目前國際公認的完美防腐防護方案。
涂層：各類油漆、包覆層等
陰極保護：犧牲陽極、外加電流。
八、犧牲陽極陰極保護
1、犧牲陽極陰極保護：是將電位更負的金屬與被保護金屬連接，并處于同一電解質中，使該金屬上的電子轉移到被保護金屬上去，使整個被保護金屬處于一個較負的相同的電位下。
特點：簡便易行，不需要外加電源，很少產生腐蝕干擾。
應用：保護小型或處于低土壤電阻率環境下(鎂陽極土壤電阻率15-150歐姆.米，鋅陽極用于小于15歐姆.米)的金屬結構。如：城市管網、小型儲罐等。
外加電流陰極保護
2、外加電流陰極保護是通過一個外部直流電源，將電源正極接到輔助陽極地床，負極接到被保護的埋地金屬設備，通過外部電源輸出調整來改變環境的電位，使得需要保護的設備的電位一直低于周圍環境，成為一個整體的陰極，這樣需要保護的設備就不會因為失去電子而發生電偶腐蝕。
特點：輸出電流連續可調，實用性強，缺點是日常需要維護，需要穩定的電源。
應用：適合大型設備結構的保護，大型儲罐/港口、碼頭、長輸管道等。
九、中國建設部陰極保護判據—CJJ 95，SY/T0036
對埋地鋼鐵結構物：
(1) 施加陰極保護后的極化電位至少應達到-850mV(CSE)或更負
(2) 采用斷電法測得的極化電位應達到-850mV(CSE)或更負
(3) 在極化形成或衰減時的陰極極化值應不小于100mV
(4) 存在細菌腐蝕時，通電保護電位值負于或等于-950mV(CSE)
(5) 在沙漠地區，通電保護電位值負于或等于-750mV(CSE)
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