材料腐蚀理论 第七章 腐蚀控制方法

4、阴极保护主要参数
–最小保护电流密度
–最小保护电位
• 最小保护电流密度
• 定义：使金属得到完全保护时所需的电流密度最小值
• 最小保护电流密度取决于被保护金属种类、表面状态（有无保
护膜、膜的完整程度）、介质条件（组成、浓度、温度、流 速）。这些条件的变化会导致它在很大范围内变化 – 介质的腐蚀性越强，阴极极化程度越低，需要的保护电流密 度越大
(1)施加阴极电流的情况下,测得管/ 地电位为-850mV (相对 Cu/ CuSO4)或更负。测量采用地表法和近参比法,必须考虑
测量方法中所含的IR误差。
(2) 相对饱和硫酸铜参比电极的管/ 地极化电位为-850mV (相
对Cu/CuSO4 )或更负。
(3) 管道表面与同土壤接触的参比电极之间测得阴极极化电位 值最小为100mV 。这一准则可以用于极化的建立过程中或衰 减过程中
5、阴极保护应用范围
• 阴极保护广泛应用于
– 地下输油、气管线 – 地下电缆 – 舰船 – 海上采油平台 – 石油化工设备 – 防止某些金属的SCC、腐蚀疲劳、黄铜脱锌等
• 对金属结构进行阴极保护应考虑的因素
–腐蚀介质能导电，且介质的量要足够以便建立连续的电路
• 土壤、海水、碱溶液、弱酸溶液、有机酸、中性盐溶液
– 废钢、铸铁、铝、锌等可溶性阳极
– 石墨、磁性氧化铁等非金属导体
– 高硅铸铁、铅银合金、铂等部分或完全钝化金属
• 碳钢：来源广，价格便宜，机械性能和加工性能好，常用于 地下结构、冷却水系统、闸门等；耐蚀性差，消耗性 阳极材料 • 石墨：耐蚀性比碳钢好，质脆，安装不方便，应用受到限制 • 高硅铸铁：在盐水、土壤、酸性和中性介质中耐蚀性较高，
– 稳定可靠
– 电压能连续可调
– 操作维护简单
• 常用直流电源 – 整流器 – 可控硅恒电位仪
3）测量和控制保护电位的参比电极
• 阴极保护中，需要经常测量和控制设备的电位，使其处于保 护电位范围。要测量电位，就需要一个参比电极 • 选择参比电极的原则 –电位稳定 –耐腐蚀 –经久耐用，价格便宜 –容易制作，安装和使用方便 • 在阴极保护中常用参比电极 可 逆 –饱和甘汞电极 （中性介质） 电 极 –硫酸铜电极 （土壤、中性介质） –氯化银电极等 （氯离子浓度稳定的中性介质） 不 –不锈钢 可 逆 –铸铁 电 极 –碳钢等
• 气体介质、大气、不导电介质：不能使用
–金属材料在所处的介质中容易阴极极化，且产生正保Biblioteka Baidu效 应
• 碳钢、不锈钢、铜及其合金、铝及其合金、铅：可以采用 • 碱性溶液中，耐碱性差的两性金属铝、铅，易产生负保护效应，阴 极保护受到限制；在酸性介质中可以采用阴极保护 • 金属在介质中处于钝态，阴极极化可能使其活化，则产生负保护效
硬度大、质脆，不易加工和焊接，应用受到限制
• 电流在阴极上的分布及阳极布臵
– 电流遮蔽现象
• 与保护设备的形状有关
– 分散能力：电极上电流均匀分布的能力 – 阳极的计算和安装
• 计算：阳极重量、阳极表面积 • 安装：阴阳极间良好的绝缘、与电源的连接方向是否正 确
2）直流电源
• 外加电流阴极保护系统需要低电压大电流输出可调的直流电源 • 对电源要求
• 最小保护电位
• 定义：要使金属达到完全保护，对金属进行阴极极化后必须
达到的电位 （等于腐蚀电池微阳极的平衡电位） • 最小保护电位的数值与金属种类、介质条件（成分、浓度等）
有关
• 由经验数据或实验确定
• 阴极保护中，最小保护电位与最小保护电流
密度的关系
– 保护电位是主要参数
– 电流密度是次要参数
应：不宜采用阴极保护
–被保护设备形状、结构不要太复杂，无“遮蔽现象”
6、阴极保护基本参数的测定和分析
• 海水、土壤等介质，阴极保护有经验数据选取； • 石油、化工行业，腐蚀介质种类繁多，阴极保护数据较少，
需进行试验确定。
1）测定阴极极化曲线求得保护参数的范围 2）选择合理的保护电位 –具有一定的保护效果 –日常电流消耗要小 –防止“过保护”的产生
(4) 当土壤或水中含有硫酸盐还原菌,且硫酸根含量大于0.5%
时,通电保护电位应达到- 950mV 或更负
(5) 最大保护电位的限制应根据覆盖层种类和环境来确定,以 不损坏覆盖层的粘结力为准,对于石油沥青,一般可取- 1.5V (相对Cu/ CuSO4 ); 煤焦油瓷漆,可取-3.0V;环氧粉末,可取2.0V 。
8、牺牲阳极的阴极保护
• 牺牲阳极的阴极保护原理与外加电流的阴极保护一样，利用外
加阴极极化使金属腐蚀减缓
• 前者借助于牺牲阳极与被保护金属之间有较大的电位差产生的 电流达到极化；后者利用外加直流电源的电流进行极化
• 牺牲阳极保护优点
– 不需要外加电源，不会干扰邻近设施，电流的分散能力好
– 设备简单，施工方便，不需要经常维护检修
第七章 腐蚀控制方法
由腐蚀理论知，电化学腐蚀的发生需要四个条件， 缺少其中一个腐蚀就停止，此为防腐的基本出发点 • 合理选材
•
•
电化学保护
金属表面覆盖层
•
• •
添加缓蚀剂
介质处理 合理的防腐蚀设计
材料
界面
环境
一、合理选用耐腐蚀材料
• 合理选材，既考虑设备工艺条件及生产中可 能发生的变化，又要考虑材料结构、性质等
Ic
a k k 电解质溶液 a
I外
a
A
k
辅助阳极
腐蚀金属及外加电流阴极保护示意图
-
N a f b S d
1
c
e
k
M
I a1
I c I d I k1 I f
I
阴极保护原理的极化图解
• 未施加阴极电流保护之前，腐蚀金属微电池的阴极
极化曲线kN和阳极极化曲线aM相交于S点，此点对
应电位为金属的腐蚀电位c，相应的电流为腐蚀电
• 保护钢铁常用的牺牲阳极材料
– 锌基：纯Zn Zn—Al Zn—Al—Cd – 镁基： 纯Mg Mg—Mn Mg—Al—Zn—Mn – 铝基： Al—Zn—Hg Al—Zn—In
• 牺牲阳极的选择与环境种类和导电性能有关
– 水中，水的电阻率大于15.m的溶液采用镁阳极 小于15.m的溶液采用铝阳极
⑵ 所有的电缆与阳极、铜鼻子、管道、加强板的连接采用锡 焊(分线盒内的连接除外),焊接前都要剥去防腐绝缘层,清 洁、打光焊接处 (3)连接管道的电缆颜色应与其它电缆颜色区分开,以便辩认 检测。 (4)分线盒在施工安装、检测完毕后,分线盒盖子须拧紧防水。 (5)阳极的埋设点必须做永久性标志,永久性标志可以包括周 围建筑物
• 应用范围
– 舰船 海上设备 – 地下输油/气管线
– 地下电缆
– 石油、化工生产中应用不多 （化工介质腐蚀性很强，牺牲阳极消耗量大）
• 牺牲阳极材料要求
– 电位负于被保护金属，并有足够的、稳定的电位差 – 不易钝化，阳极极化小，腐蚀发生均匀，且腐蚀产物易扩散或脱落 – 电化学当量高（即单位重量产生的电量要大），电流效率高 – 成本低，来源广，加工容易，不污染环境
流Ic（忽略溶液电阻） • 当通以外加阴极电流使金属腐蚀电位由c极化至1 时，金属微电池阳极腐蚀电流由Ic降低至Ia1，微阴 极电流为Ik1，外加阴极电流为Id。 • 由图可见， Ia1 < Ic，表示外加阴极极化后，金属 本身的腐蚀电流减小，金属得到保护，称为保护效 应。
• 如果外加阴极电流继续增大，使阴极进一步极化，
– 设备的工作条件：介质、温度、压力 – 设备的用途、结构设计特点
– 材料的性能：机械性能、耐蚀性能
– 材料的价格与来源
• 合理选材的基本步骤
– 确定使用环境 – 查阅有关资料 – 调查研究实际生产中材料的使用情况 – 进行必要的实验室辅助实验
– 综合考虑材料的使用性能、加工性能、经济价值等
二、电化学保护
• 电化学保护：在电化学腐蚀系统中，通过施
加外加电流将被保护设备的电位移向免蚀区
或钝化区，降低设备的腐蚀速度
• 根据保护原理，电化学保护分为
– 阴极保护
– 阳极保护
（一）阴极保护
1、定义：将被保护金属作为阴极，通过施加一定的 外加阴极电流，进行阴极极化以减小或防止 金属腐蚀的方法 2、阴极保护分类
• 定义：在被保护设备上连接一个电位更负的金属作
为阳极，它与被保护金属在电解质溶液中形成大电
池，使设备进行阴极极化。
• 示意图
2
3 1 4
1—被保护设备 3—牺牲阳极
2—接线盒 4—腐蚀介质
3、阴极保护原理
• 外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护，虽然
外加电流的来源不同，但阴极保护原理相同 • 原理：借助于外加阴极电流使被保护金属成为阴极， 进行阴极极化得到保护 • 利用伊文思极化图说明
– 增加腐蚀速度、降低阴极极化的因素，如温度升高、压力增
大、流速加快等，都使最小保护电流密度增加 • 最小保护电流密度由实验测得
• 阴极保护时，外加阴极电流密度不能过大或
过小，
–比最小电流密度小，不能完全保护
–过大，耗电量大，不经济；超过一定范围时，
保护作用降低，即过保护。
–正保护效应：由于外加阴极极化而使金属本身
直埋设在潮湿的土壤中。埋设形式可采用立式或卧
式。在阳极与保护管道之间,严禁设臵其它金属构筑
物。
• 牺牲阳极的施工要求
(1) 阳极的埋设: 填包料要按比例调拌均匀,不得混入泥土等 杂物, 装入300mm×1000mm的棉或麻布袋中, 将经过铁砂纸 打光及表面清洁处理的阳极及时插入填包料中心位臵并压 实
中间范围使用锌阳极
– 土壤中牺牲阳极的选择类似于水中，只是铝阳极在土壤环 境中很容易钝化，很少采用
牺牲阳极的形式种类
阴极保护测试装臵
• 选用阳极的保护效果应符合以下要求:
1)满足保护电位准则里规定的电位要求 ⑵ 牺牲阳极在埋设时,与保护的燃气管道的距离不宜 小于0.3 m,也不宜大于7m,埋设深度不宜小于1m,且
9、牺牲阳极的阴极保护与外加电流的阴极保护的比较
• 外加电流的阴极保护
– 优点
• 电流和电压可调，
• 适用范围广， • 用于要求大电流的情况， • 使用不溶性阳极时装臵耐久
– 缺点
• 需要经常检修和维护
• 要求有直流电源设备 • 可能产生干扰腐蚀
• 牺牲阳极的阴极保护
– 优点
• 不用外加电流，适用于电源困难场合
– 外加电流的阴极保护
– 牺牲阳极的阴极保护
• 外加电流的阴极保护
• 定义：将被保护金属与直流电源的负极相连，利用 外加阴极电流进行阴极极化，以减小或防止金属腐 蚀 • 示意图
1 外 加 电 流 的 阴 极 保 护
2 3 4
1—直流电源 3—辅助阳极
2—被保护设备 4—腐蚀介质
• 牺牲阳极的阴极保护
7、外加电流的阴极保护的主要组成
• 阴极保护系统的主要组成部分 • 辅助阳极
• 直流电源
• 测量和控制保护电位的参比电极
1）辅助阳极
• 对阳极材料的要求 – 在所用介质中耐腐蚀，并且在使用阳极电流密度下溶解速 度低 – 具有良好的导电性 – 有较好的机械性能，便于加工，成本低，容易获得
• 常用的外电流阴极保护阳极材料
导致腐蚀体系的腐蚀电位降至和微电池阳极的起始 电位a相等，外加电流为If时，阳极腐蚀电流Ia为 零，此时金属得到完全保护。 • 此时金属的电位称为最小保护电位，达到最小保护 电位时金属所需的外加电流密度称为最小保护电流 密度
• 因此，为了使金属得到完全保护，必须把金属阴极
极化到其腐蚀微电池阳极的平衡电位
– 原因
• 电极过程决定于电极电位。电极电位决定金属的保护 程度，并用来判断和控制阴极保护是否完全 • 影响电流密度的因素很多，数值变化很大。当电位一 定时，电流密度还会随系统条件的变化而改变。
•
保护电位准则
准则有如下的规定:
中国石油行业标准SY/ T 0036 - 2000 ,对钢质管道的保护电位
• 施工简单，管理方便
• 对附近设备无干扰，适用于需要局部保护的地方
– 缺点
• 产生的有效电位差和输出电流量有限，适用于需要小 电流的场合
• 调节电流困难
• 阳极消耗大，需要定期更换
10、联合保护
• 阴极保护与涂料联合防腐
• 降低电流消耗，缩短极化至保护电位所需要时间 • 改善电流的分散能力，使设备各部分电位分布比较均匀
微电池腐蚀减小的现象
–负保护效应：由于外加阴极极化而使金属本身
微电池腐蚀更严重的现象
（过保护）
–过保护原因：
• 过大的外加阴极电流密度导致溶液中H+在被保护金属 上放电，析出的H2促使溶液中PH升高，加速Zn、Al等
两性金属腐蚀
• • 析出的H2可破坏金属表面的保护涂层 析出的氢原子可能导致钢铁的氢脆