腐蚀与腐蚀电池

  作为一种天然存在的现象，腐蚀主要是指材料（一般指金属材料）与环境间发生的化学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象。

  在大多数情况下，当金属被放置在水溶液中或潮湿的大气环境中时，金属表面会形成一种微电池，有时也称腐蚀电池（其电极一般称为阴、阳极）。在阳极上发生氧化反应，使阳极发生溶解，在阴极上则发生还原反应，一般只起传递电子的作用。

  腐蚀电池的形成原因

  腐蚀电池的形成原因主要是由于金属表面吸附了空气中的水分，形成了一层水膜，因而使空气中CO?等气体溶解在这层水膜中，形成电解质溶液，而浸泡在这层溶液中的金属又总是不纯的，例如工业上用的钢铁，其实际上是合金材料，即除铁之外，还含有石墨、渗碳体以及一些其它的金属和杂质，它们大多数没有铁元素活泼。这样形成的腐蚀电池的阳极为铁，而阴极为杂质，又由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。

  金属材料发生腐蚀的难易程度通常取决于金属的晶粒结构，合金材料组成以及在制造期间金属表面经受的处理温度和是否发生变形等因素。

  微观腐蚀电池

  现在，已经有许多经受了时间考验的腐蚀预防方法，其中之一就是阴极保护法，在本文中，我们将介绍一些关于阴极保护类型以及该方法如何有效预防埋地管道免受腐蚀等知识。

  什么是阴极保护？

  阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。暴露于电解质中的金属材料表面具有多个微观阳极和阴极位置。当阳极电负性强于阴极时，它们之间就会产生电位差，进而发生腐蚀

  阴极保护的目的就是尽可能的降低阴极和阳极之间的电位差，使其降低到一个可以忽略的值。这种电位差的减少主要是由于阴极的极化所导致，根据欧姆定律，利用这种方法，腐蚀电流能够得到很好的缓解。阴极保护可以通过向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流来实现。

  阴极保护标准

  为了实现足够的阴极保护，受保护结构的电位必须极化到一定的值，通常采用参比电极来测量极化电位。例如铜/硫酸铜电极（CSE）就是土壤和淡水中最常用的参比电极。

  目前有两种类型的阴极保护评估标准。根据情况，一般可以使用其中任何一种，尽管在许多情况下，第一种被认为是更加优越的。

  1.电位标准

  施加阴极保护时被保护结构物的电位至少达到-850毫伏（mV）或更负（相对于铜/硫酸铜参比电极）。

  2.极化转变标准

  在构筑物表面与接触电解质的稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV（相对于铜/硫酸铜参比电极）。

  注：这些判据标准主要适用于碳钢材料，不同类型的金属材料标准可能有所不同。

  阴极保护的类型

  阴极保护主要包含两种类型

  1   牺牲阳极保护阴极

  这种类型的阴极保护，主要原理是通过将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属或合金（即牺牲阳极）相连，进而使得被保护体极化以降低腐蚀速率。在被保护金属与牺牲阳极所形成的电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故此称之为“牺牲”阳极，从而实现了对阴极的被保护金属体的防护。

  牺牲阳极一般为一些活性金属，例如锌、铝和镁等，根据电位序列，这些都是比较活跃的金属材料。

  阴极保护电流主要是由牺牲阳极和受保护结构之间的电位差引起的。

  使用的阳极类型通常取决于电解质的电阻率和化学组成等因素。

  该类型的阴极保护优点主要有：单次投资费用低，运行过程中基本不需要支付维护费用；保护电流的利用率较高，不会产生过保护；对邻近的地下金属设施无干扰影响；适用于厂区和无电源的长输管道以及小规模的分散管道保护；施工技术简单，平时不需要特殊、专业的维护管理等。

  典型的牺牲阳极保护阴极装置

  2   强制电流阴极保护（外加电流法）

  强制电流阴极保护法是指将被保护金属与外加电源负极相连，由外部电源提供保护电流，以降低腐蚀速率的方法。外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下，通过土壤提供给被保护金属，被保护金属在大地中仍为阴极，其表面只发生还原反应，不会再发生金属离子化的氧化反应，使腐蚀受到抑制。

  三种常用的阳极类型：可溶性阳极（铝和钢），半可溶性阳极（石墨和高硅铸铁（HSCI））和不溶性阳极（铂，混合金属氧化物和聚合物等）。

  这种类型的阴极保护技术的主要部件是一个变压整流器，这迫使电流从阳极流到受保护的结构（阴极）。

  具体使用的阳极类型，可溶性，半可溶性或者不溶性，通常取决于电解质的化学组成和待保护的区域等因素。

  该类型的阴极保护技术优点主要包括：驱动电压高，能够灵活地在较宽的范围内控制阴极保护电流输出量，适用于保护范围较大的场合；在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用；选用不溶性或微溶性辅助阳极时，可进行长期的阴极保护；每个辅助阳极床的保护范围较大，当管道防腐层质量良好时，一个阴极保护站的保护范围可达数十公里等。

  典型的强制电流阴极保护体系

  阴极保护体系在埋地管道中的应用

  工业管道主要用于运输水，石油产品，天然气和一些公用事业等。世界各国都有一个巨大的管道系统网络，这些管道可能在陆地上，也可能在海上，但是在这两种情况下都会受到腐蚀。如果腐蚀没有得到及时的缓解，很可能会带来极大的损失，甚至导致危险事故的发生。

  对于管道防腐，现在人们已经掌握了几种不同的腐蚀控制技术，阴极保护就是其中之一。该技术可以应用于涂层管道上，以减轻涂层质量较差的区域的腐蚀速率，也可用于裸露管道上。上面提及的两种不同类型的阴极保护技术都可以用于埋地管道的腐蚀预防方面。至于两种类型技术的具体选取一般取决于多个因素，例如所需的电流大小，土壤电阻率和待保护结构的面积等。

  以碳钢材料为例，阴极保护技术旨在极化管道使其电位值降低到-850毫伏。一般可以通过测试站测量极化电位，测试站将沿管道路线安装在以下位置：

  频繁间隔（例如<2km / 1.24英里）

  与外界结构交叉处

  电绝缘点

  在某些牺牲阳极位置

  近电源干扰

  杂散电流放电到土壤的位置

  阴极保护引起的问题

  在许多大型管道网络中，有很多交叉，并行以及分支的结构，其中管道如果应用了阴极保护技术，管道之间可能会发生直流干扰现象，进而加速腐蚀。为了克服这个问题，管线可以直接地或通过电阻间接的进行耦合。

  对于涂覆质量较差的涂层管道，阳极保护水平高的地方可能会出现阴极剥离现象，较高的温度也可能促进阴极剥离，高PH环境在应力腐蚀开裂方面也是一个值得注意的问题。在这些情况下，管道的极化电位必须保持在-850 mV的最小值。

  记住，阴极保护虽然只是一种用于防止腐蚀的方法，但不仅仅只是应用在管道中，在船舶，海上石油平台和其他钢结构中同样可以得到应用。

  译者：Vince

  译自：corrosionpedia

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