金属腐蚀电化学保护公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件

1、金属腐蚀与防护教学课件第1页第六章 电化学保护 应用电化学极化方法来预防和减轻金属腐蚀方法称为电化学保护。 主要有阳极保护和阴极保护两种类型。 另外，为了减轻电解腐蚀（主要是杂散电流腐蚀）所采取排流防蚀技术及区域保护技术也进行了阐述叙述。第2页6.1 阳极保护 对腐蚀介质中金属结构物进行阳极极化，使其表面形成钝化膜，并通电维持其钝化状态，从而显著降低腐蚀速度保护办法称为阳极保护。主要用于有氧化性且无Cl-酸、碱、盐溶液中，要求材料必须含有钝化性，所以在海洋环境中忌用阳极保护，因为海水中含有大量Cl-。 一、原理 由E-pH图可见，当电极发生阳极极化而电位正移时，金属由活化腐蚀区过渡到钝化稳定区

2、，使腐蚀过程阴极控制变为阳极控制。只有能够发生阳极钝化情况下才适合用于该方法，极化状态必须保持在钝化区。第六章 电化学保护 第3页 二、参数 由钝化曲线能够看出，阳极保护主要参数是： （1）致钝电流密度，或临界电流密度（icp）：是产生钝化所需最小阳极极化电流密度（Am-2），它相当于金属阳极溶解最大值，只有超出此值电流部分才能形成钝化膜。 极化电流密度（i）越大，转化为钝化状态所需时间（t）越短，其间大致有以下关系：（iicp）t常数 实际应用中要求icp越小越好，若太大则极化早期消耗功率大，使设备庞大而造价较高。第六章 电化学保护 第4页 （2）维钝电流密度或稳定钝化电流密度（ip）：是钝

3、化状态下维持电位稳定所需电流密度（Am-2），它主要用于补充钝化膜溶解。 所以，ip越小越好，且消耗电能少。依据电解定律能够求出钝化膜溶解速度Km与ip关系为：KmNip26.8（gm-2h-1） （61） 式中：N钝化膜化学当量（g）； ip钝化膜维钝电流密度（Am-2）； 26.8电化学当量（Ah），26.8Ah96500 C。 （3）钝化（区）电位（E钝）：是使金属维持钝化状态电位，其范围越宽越好。第六章 电化学保护 第5页三、系统结构 包含恒电位仪、辅助阴极、参比电极和被保护结构物，以及附设电路和仪表等。1阴极材料 要求耐蚀，机械强度好，不发生氢脆。 浓硫酸中可使用铂、金、铸铁等； 稀

4、硫酸中可使用银、铝青铜、石墨； 盐水中可使用高镍或高铬合金、碳钢； 碱液中可使用碳钢。 阴极设置力争最正确电流分布，使被保护结构物整体均处于钝化稳定区。阴极安装应该绝缘、牢靠、方便维修。阴极引出线与被保护体之间绝缘良好，并进行绝缘密封。 第六章 电化学保护 第6页2参比电极 有甘汞电极、氯化银电极、硫酸亚汞电极或氧化亚汞电极，依据介质性质和使用要求选定。 铂在硫酸中，银在盐酸中或食盐水中，锌在碱性溶液中含有稳定电位，也可作参比电极使用。 参比电极应分别设置在距离阴极近、中、远三处，平时以中间为监控标准，近、远处参比电极可用来观察电位分布或暂时使用。3电器设备 恒电位仪，工业用普通要求为624V

5、，50500A。依据阳极保护三参数和被保护体面积估算。配电与走线要求安全合理，注意接地，预防杂散电流腐蚀。第六章 电化学保护 第7页四、阳极保护方式1单纯阳极保护 有连续通电式和间歇通电式。 用同一套电器设备同时满足icp和ip要求，往往碰到实际困难。因为二者数值往往相差几个数量级，如：在100H2SO4中，对于碳钢icp100Am-2，ip0.5Am-2；在30%HNO3中，对于碳钢icp10000 Am-2，ip0.2Am-2，为处理这一矛盾，能够采取逐步加液连续通电式或连续钝化式。 逐步加液连续通电式是采取逐步加液，逐步钝化，直至容器中盛满液体和完全钝化，在此过程中，所需电流一直维持较小

6、数量级。 连续钝化式是预先涂覆暂时性涂层，因为涂层有针孔，露出面积很小，钝化电流也较小，实际使用过程中涂层逐步破损，破损处很快钝化，直至涂层完全剥落，容器完全钝化，但其致钝电流却一直较小。 第六章 电化学保护 第8页2联合保护 阳极钝化法与其它防腐方法相结合联合保护技术往往含有更加好防腐效果，经常采取联合保护是阳极钝化法。 主要有以下三种方式，即与涂层结合、与缓蚀剂结合或与电偶结合。 比如：因为硫酸中钛与碳或铂（电偶）相连接、热硫酸中铬钢与Fe3O4 + MnO2相连接时可处于钝化稳定区，当早期使设备强制钝化后，就能够用电偶方式保持其钝化状态。第六章 电化学保护 第9页五、应用举例（表6-2）

7、设备名称设备材料介 质保护方法保护效果有机磺酸中和罐不锈钢20%NaOH中加RSO3H中和铂阴极，钝化区电位范围250mV孔蚀显著降低，产品含铁由（250300）10-6降低至（620）10-6纸浆蒸煮锅碳钢（2.5m，H 12m）NaOH100gL-1，Na2S 35 gL-1，180致钝电流4000A，维钝电流600A腐蚀速度由1.9mma-1降至0.26mma-1硫酸储槽碳钢H2SO4Ic，即保护电流要比腐蚀电流大得多。图6-3 阴极极化率较大时极化曲线图 图6-4 阴、阳极极化曲线 相等或阳极极化率较大时 极化曲线图第六章 电化学保护 第25页四、阴极保护影响原因腐蚀电池极化 （3）周

8、围介质腐蚀性增大，会使保护电流对应加大。介质中氯离子浓度增加、含氧量增大、介质搅动速度加紧（如增加海水流速）均使阴极极化减弱，从而使极化所需电流增加，即保护电流增大。 介质中化学成份改变、含氧量多少、pH值大小及离子种类、悬浮物多少对阴极保护都有影响。含氧量、pH值及介质电导率都会影响阳极极化速度，使得所需阴极保护电流发生改变。 悬浮物增多会使阴极表面发生磨损，造成阴极极化减弱，腐蚀电流增加，保护电流对应增大。 温度也会影响极化率。温度升高使氧溶解度降低，但同时扩散速度加紧，电极反应速度加紧，最终往往使得保护电流密度有所改变。第六章 电化学保护 第26页四、阴极保护影响原因 金属表面油漆涂层能

9、够使金属与周围介质隔离，但因为涂层并不是完全致密，往往含有微小孔隙和缺点，在此局部会发生腐蚀。若阴极保护与油漆联合保护，则使得这些局部得到保护，而且所需保护电流密度比裸露金属要小得多。 在阴极保护时，接触海水阳极表面因为pH值升高而形成石灰质垢层，即电解被覆层。因为金属表面被覆盖，增加了表面电阻，降低了防蚀电流密度，提升了防腐效果。 因为形成石灰质垢层后保护电流密度会大幅度降低，电位分布更趋均匀，因而在阴极保护过程中，经常最初控制较大电流密度，使表面尽快形成致密石灰质垢层，然后采取较小电流密度来维持。涂覆层第六章 电化学保护 第27页6.3 牺牲阳极阴极保护法一、牺牲阳极性能及种类1牺牲阳极性

10、能要求 （1）阳极电位。牺牲阳极要有足够负电位，不但要有足够负开路电位，而且要有足够负工作电位，并能与被保护金属之间产生较大驱动电压，另外要求阳极本身极化小，电位稳定。 （2）电流效率。牺牲阳极电流效率是指实际电容量与理论电容量百分比，用%表示。工程要求牺牲阳极含有较高电流效率和较小自腐蚀速度。 第六章 电化学保护 第28页6.3 牺牲阳极阴极保护法一、牺牲阳极性能及种类 （3）阳极消耗率。牺牲阳极消耗率是单位电量所消耗阳极质量，单位是kgA-1h-1或者kgA-1a-1。对于牺牲阳极来说，实际测得消耗单位质量牺牲阳极所产生电量越大（Ahkg-1），则阳极消耗率越小。 （4）腐蚀特征。牺牲阳极

11、表面腐蚀特征是评定阳极性能指标之一。对于性能良好阳极，要求表面腐蚀均匀，无难溶沉积物。阳极使用寿命长，不产生局部腐蚀脱落。牺牲阳极本身合金组织成份及熔炼铸造工艺条件是决定阳极腐蚀特征主要原因。第六章 电化学保护 第29页2牺牲阳极种类 当前惯用牺牲阳极种类有锌合金阳极、铝合金阳极和镁合金阳极，另外还有锰合金阳极和铁合金阳极。在海水中惯用牺牲阳极为锌合金阳极和铝合金阳极。1）锌合金阳极 锌合金阳极是使用较早且较普遍一个阳极。锌阳极种类很多，有纯锌体系，Zn-Al系，Zn-Sn系，Zn-Hg系等等，但惯用锌阳极主要是纯锌系和Zn-Al-Cd系，这两种阳极性能见表6-7。第六章 电化学保护 第30页

12、性 能纯锌，锌合金相对密度7.14开路电位/V（vs.SCE）-1.03对铁驱动电压/V0.20理论发生电量/ Ahg-10.82海水中电流效率/%953mAcm-2发生电量/Ahg-10.78消耗量/kgA-1a-111.8土壤中电流效率/%650.03mAcm-2发生电量/Ahg-10.53表6-7 锌阳极性能第六章 电化学保护 第31页 因为锌阳极本身含铁量高，会造成阳极表面溶解状态不好，使得电流效率降低。20世纪60年代后，我国研制出三元锌合金阳极，并制订出国家标准GB4950-85。其化学成份和电化学性能见表78。 因为三元锌阳极电化学性能优越，含有性能稳定、电流效率高、溶解性能好、

13、有自动调整阳极电流能力，因而被广泛用于船舶、海底管线、油舱、海水冷凝器及其它海上构筑物。其缺点是对杂质（铜和铁）较敏感，有效电量小，实际消耗率大，使被保护体负荷较重，保护寿命短。第六章 电化学保护 第32页化学元素AlCd杂质最大含量FeCuPbSiZn含量/% 0.30.50.050.120.0050.0050.0060.125余量项目开路电位/V（vs.SCE）工作电位/V（vs.SCE）理论发生电量/Ahg-1实际发生电量/ Ahg-1电流效率/%溶解情况性能-1.05-1.09-1.00-1.050.820.7895腐蚀产物轻易脱落。表面溶解均匀表68 Zn-A1-Cd系合金化学成份及

14、锌牺牲阳极电化学性能第六章 电化学保护 第33页2）铝合金阳极 铝合金阳极是在锌阳极基础上，为了开发优质长寿命阳极而研制。自20世纪60年代开始快速发展。我国也形成三大系列，较惯用为Al-Zn-In系，其化学成份、电化学性能见表69。 铝合金阳极特点是：理论发电量大，密度小，能够设计成长寿命阳极，重量轻，制造工艺简便，材料起源充分，电化学性能优良，有自动调整电流和电位作用，被广泛应用于海上采油设备、海底管线、船舶、海上构筑物、滨海电厂海水系统。铝阳极电流效率普通比锌阳极低，活化起动性能和溶解性能比锌阳极差，而且不适于高电阻率介质。 当前，铝合金阳极发展向着提升电流效率，改进溶解性能，适于高电阻

15、率介质及高、低温海水环境方向发展。比如，开发研制出热海水阳极，半咸水阳极及海泥中铝阳极。为了使海上输油管得到有效保护，还开发出手镯式牺牲阳极，使得铝牺牲阳极安装更合理，发生电流尽可能满足管道要求，以满足所需要保护寿命。第六章 电化学保护 第34页合金种类化 学 成 分/%AlInCdSnMgSiFeCuAlAl-Zn-In-Cd 2.54.50.0180.0500.0500.0200.80.16V0.02余量Al-Zn-In-Sn2.25.20.0200.0450.0180.0350.80.160.02余量Al-Zn-Ir-Si5.57.50.025-0.0350.100.150.160.2余

16、量Al-Zn-In-Sn-Mg2.54.00.0200.0500.0250.0750.501.000.130.160.02余量项目开路电位/V（vs.SCE）工作电位/V（vs.SCE）实际发生电量/ Ahg-1电流效率/%溶解情况性能-1.05-1.09-1.00-1.050.7895腐蚀产物轻易脱落，表面溶解均匀表6-9 Al-Zn-In系合金化学成份Al-Zn-In电化学性能第35页二、牺牲阳极保护设计 牺牲阳极保护效果主要取决于牺牲阳极材料及合理保护设计，其基本步骤以下：1）搜集设计参数 搜集材质、表面情况、几何形状及相关环境资料；设定保护电流密度；了解保护面积及结构特点；依据保护年限

17、和所需保护电流计算牺牲阳极重量。2）选择牺牲阳极材料及规格 依据保护年限及要求，选择牺牲阳极材料（如锌阳极或铝阳极），依据安装要求、结构条件和保护电流，选择牺牲阳极布设位置和间距，并确定阳极尺寸及规格。3）计算阳极数量验算 依据总防蚀面积和防蚀电流，计算得阳极重量和数量，并需再行验算。第六章 电化学保护 第36页第六章 电化学保护 第37页第六章 电化学保护 第38页第六章 电化学保护 第39页三、应用举例1海水管道 伴随国民经济不停发展及淡水资源缺乏，利用海水作为冷却水发电厂已成为能源部门发展方向。当前，我国已相继建设了几十座滨海电厂，所以，海水对输水管道腐蚀成为滨海电厂急需处理问题。因为海

18、水强腐蚀性和详细情况不一样，对于海水管道防腐蚀需要进行现场调查及对应设计。1）牺牲阳极保护设计准备工作 在对电厂海水冷却管道进行阴极保护设计以前，需搜集以下资料和数据。 （1）海水水温、盐度及其改变，以及含氧量与电阻率等。 （2）海水流速及海生物附着情况。 （3）管道材质、表面情况、几何形状、面积及结构。 （4）涂层种类和情况。 （5）设备维修周期。第六章 电化学保护 第40页2）阴极保护设计 比如某滨海电厂处于亚热带，装机容量为6600MW，冷却水为一次性海水，管道由直径3040mm，每节长度6mA3钢管焊接而成。（1）设计参数（以每节长度6m计） 海水管道内径：3000mm； 每节管道长度

19、：6m； 海水电阻率：30cm； 设计温度：1032； 设计寿命：15a； 阳极类型：长条型支架阳极； 阳极化学成份：Al-Zn（2.5%4.5%）-In（0.03%0.04%）-Cd（0.0l%0.02%）； 阳极在海水中开路电位：1.101.18V（VsAgAgCl）； 阳极在海水中工作电位：1.05V（vsAgAgCl）； 阳极在海水中电流效率：85%； 阳极在海水中消耗率：3.8kgA-1a-1； 实际发电量：0.263Aakg-1； 阳极在涂漆管道上保护电流密度：30mAm-2； 保护电位改变范围：0.850.95V（vsSCE）。第六章 电化学保护 第41页（2）阳极设计 a保护面

20、积：S3 m6 m56.52 m2； b总保护电流：IiS 30mA56.521695.6 mA； c依据保护年限15a，可计算所需阳极总重量为： W= aI0.263113.8kg（0.85） d选取长条状阳极（115+85）mm800mm80mm，则阳极发生电流为IaE/R，这里铝阳极E0.30V，依据公式，其中rC25.72，则R为0.18，计算Ia0.300.181.67（A）。因为IaI，则选取每块18kg阳极，需要NGGl113.8186.36块。（3）阳极安装 为了使电流分布均匀，采取对称安装方式，因每段管道长6m，焊接处需适当加强保护，故选定在每段管道水平中线两侧中部和距两管端

21、1m处各放置一块阳极，整个管道内阳极对称排列。第六章 电化学保护 第42页性能 种类 指标 开路电位 -V(SCE)工作电位 -V(SCE)实际电容量Ah/kg电流效率 %溶解情况普通铝合金阳极1.10-1.181.05-1.12240085腐蚀产物轻易脱落,表面溶解均匀.高效铝合金阳极1.10-1.181.05-1.12260090高活化铝合金阳极1.45-1.501.40-1.45208070铝合金阳极电化学性能第43页铝阳极按形状分类型号规格mm重量Kg形 状T-AZIC-1（115+135）130100046梯形长条T-AZIC-2（115+135）13050023梯形长条T-AZIC

22、-3（105+135）10050016梯形长条T-AZIC-4（58.5+78.5）68100013.2梯形长条T-AZIC-5（105+135）10030010梯形长条B-AZIC-66001205010板 状B-AZIC-7500100405.5板 状B-AZIC-8250100402.5板 状Y-AZIC-9170150508空心圆柱体Y-AZIC-10170100505.5空心圆柱体Y-AZIC-11100500255空心圆柱体Y-AZIC-1210050301空心圆柱体注：亦可依据用户要求设计生产第44页海洋工程设施用铝阳极结构图第45页三、应用举例2船舶 某舰艇船体为碳钢CT4焊接

23、而成，涂六道沥青系油漆，有推进器3只，材料为锰青铜，舵板1只，进坞周期为L5a。1）浸水面积 艇壳水下面积：Sn341 m2； 推进器表面积：Sd4.2 m2； 舵板表面积： Sp4.5 m2。2）保护参数选择 艇壳保护电流密度：in4 mAm-2； 推进器保护电流密度：id150 mAm-2； 舵板保护电流密度：ip25 mAm-2。第六章 电化学保护 第46页3）牺牲阳极数量计算 船体水下各部位所需保护电流值分别为： InSnin13864 mA； IdIdid630 mA； IpSpip112.5 mA。 采取锌-铝-镉合金牺牲阳极（250mm100mm35mm），每块阳极发生电流量为I

24、发170 mA，则该艇各部位所需阳极块数分别为： 艇壳： InI发8.02，取8块； 推进器：IdI发3.71，取4块； 舵： IpI发0.66，取l块。第六章 电化学保护 第47页6.4 外加电流阴极保护法一、外加电流阴极保护系统特点 外加电流阴极保护系统是将外设直流电源负极接被保护金属结构，正极接安装在金属结构防腐一侧外部并与其绝缘辅助阳极。电路接通后，电流从辅助阳极经海水至金属结构形成回路，金属结构阴极极化得到保护。其特点为： （1）可随外界条件（如海区、流速、温度等）引发改变自动调整电流，使被保护部分电位控制在预置最正确保护电位范围内。 （2）保护周期长，采取不溶性高效辅助阳极，使用寿

25、命可达1020a。 （3）辅助阳极排流量大，作用半径大，能够保护结构复杂、面积较大设备及港工建筑与地下管道等。第六章 电化学保护 第48页二、外加电流保护系统组成 外加电流阴极保护系统由辅助阳极、参比电极、阳极屏蔽层和直流电源等四部分组成。1辅助阳极材料 在外加电流保护系统中与直流电源正极连接外设电极称之为辅助阳极，其作用是使电流从电极经介质到被保护体表面。辅助阳极材料电化学性能、机械性能、工艺性能及结构形状、大小、分布与安装等对其寿命和保护效果都有影响。理想阳极材料应含有以下性能： （1）导电性能好，阳极极化小，表面电阻小； （2）排流量大； （3）耐腐蚀，消耗量小，寿命长； （4）材料应含

26、有一定机械强度，耐磨损，并耐冲击和振动； （5）机械加工性能好，易于加工成各种形状； （6）材料易取得，价格相对廉价。第六章 电化学保护 第49页材料成份工作电流密度/Am-2损耗率/kgA-1a-1寿命/a种类使用范围高硅铸铁14.517%Si0.3%0.8%Mn0.5%0.8%C551000.31.0性能硬，机械加工困难海洋设施、淡水、地下石墨10300.040.8性脆，强度低海水、地下铅银合金2%3%Ag502500.16性能良好，价格廉价海水铅银微铂1%2%Ag铅银表面嵌铂丝60010000.01010性能良好，输出电流大，价格廉价海水镀铂钛铂层度2.510m50012500.0061

27、0-3610性能良好，体积小，较昂贵海水、淡水、地下涂钌钛钛表面涂二氧化钌10000.47610-34.5海水及其它介质铂铌丝铂铌复合材料1000610-610性能很好，价格高海水钛基/混合金属氧化物6003.610-68性能很好海水铂铱合金10%20%铱1800可忽略性能良好，较昂贵海水表610 辅助阳极性能惯用辅助阳极材料性 能示于表610。第六章 电化学保护 第50页2参比电极 在外加电流阴极保护系统中，参比电极被用来测量被保护体电位，并向控制系统传递信号，方便调整保护电流大小，使结构电位处于给定范围。 参比电极应含有以下性能： （1）在长久使用过程中，参比电极应保持电位稳定，重现性好；

28、 （2）参比电极应允许经过微量电流，且不产生严重极化； （3）参比电极使用寿命要长； （4）受外界温度及环境条件影响要小，温度系数要小； （5）有一定机械强度，耐海水冲刷，耐磨损，便于安装。第六章 电化学保护 第51页惯用参比电极性能见表611。种 类电极电位/V（vs.SCE）钢保护电位/V（vs.SCE）生产工艺稳定性极化性能寿命a用途银/氯化银0.00-0.080复杂稳定不易极化510用于海水中外加电流设备铜/硫酸铜0.05-0.85简单较稳定不易极化23手提式，用于现场观察锌电极（纯锌）-1.03+0.23简单稳定不易极化610用于海水中外加电流系统表611 25海水中惯用参比电极性能

29、第六章 电化学保护 第52页 参比电极电位与钢保护电位关系是，不论采取何种参比电圾，对于钢来说，只要使钢自然腐蚀电位向负方向移动200300mV，便为保护电位范围。在表74中，已列出不一样参比电极对钢保护电位值。 经过大量试验得出以下结论，即在阴极保护系统中，将钢保护电位要求在以下范围内保护效果为最正确，相对银/氯化银电极，钢保护范围是0.801.00V；相对铜饱和硫酸铜电极，钢保护范围是0.851.05V；相对锌参比电极，钢保护电位是+0.23+0.03V。假如钢保护电位不在以上范围，则会发生欠保护或过保护现象。第六章 电化学保护 第53页3阳极屏蔽层 在外加电流系统工作时，从阳极排出较大电

30、流，阳极周围被保护结构电位会很负，以致产生析氢现象，使附近涂层破坏，降低保护效果。为预防这种现象发生，并扩大电流分布范围，以确保阴极保护效果，需在辅助阳极周围涂装绝缘屏蔽层。 普通对阳极屏蔽材料性能要求以下： （1）有较高粘附性和韧性，能耐海水冲击； （2）耐海水、耐碱、尤其是耐氯气性能好； （3）绝缘性能好； （4）使用寿命长； （5）工艺性能好，施工简单，原料易得。 惯用阳极屏蔽材料有三类： （1）涂层：环氧沥青系涂料、氯丁橡胶和玻璃钢涂料； （2）薄板：聚四氟乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯等薄板； （3）覆盖绝缘层金属板。第六章 电化学保护 第54页4供电电源 在外加电流阴极保护系统中所使用供电

31、电源有恒电位仪、整流器、直流发电机、太阳能电池等，比较惯用为恒电位仪。防腐工程中对于恒电位仪性能要求以下： （1）依据参比电极提供信号，能自动调整保护电流，使被保护体一直处于预定保护电位范围内； （2）电位控制误差0.01V； （3）给定电位范围1.50V，0+1.5V，连续可调； （4）输入阻抗1Mn； （5）纹波电压小于自定义输出直流电压5%； （6）含有限流或过流保护装置，过欠保护电位显示报警及断电报警装置； （7）绝缘电阻（冷态），对标称电压至60V仪器，对地绝缘电阻大于10M，对标称电源电压大于60V仪器，对地绝缘电阻大于100M； （8）稳态时参数正常工作，瞬态时能可靠工作。第六章

32、 电化学保护 第55页整流方式特点适用范围稳 定 性缺 点可控硅体积小，重量轻，输出功率大，可靠性强船舶、管线及平台保护稳定性强，使用寿命长过载能力不强，调试较麻烦，需加过流保护装置磁饱和线路简单，过载能力强，便于维护适适用于各类阴极保护系统稳定性强，使用寿命长装置粗笨，工艺复杂晶体管体积小，精度高，工作可靠，操作简单适适用于小型船舶及较小规模外加电流保护系统稳定性强，使用寿命较长输出功率低，使用范围受限制表6-12 恒电位仪种类及特点恒电位仪种类及特点见表612。第六章 电化学保护 第56页三、外加电流阴极保护系统设计1. 保护参数选择 各种不一样金属材料在海水中、有不一样腐蚀电位和保护电流

33、密度，在阴极保护设计中必须正确选择这些参数。不一样金属或合金都有一定保护电位范围，对于港工设施和近海平台、船舶等，其主要结构材料是钢，在海水中最正确保护范围应控制在0.801.00V（vsAgAgCl）。 保护电流密度确实定与钢材本身性质及其他原因都有关系，如海水状况，地理条件和涂层情况等，所以应根据实际情况确定。第六章 电化学保护 第57页2设计步骤 （1）了解被阳极保护部分基本设施参数和相关图纸资料，如材质、表面情况（涂层）、尺寸、水下面积、结构电连接等。 （2）了解所在海区环境条件及海水情况、含氧量、湿度、盐度、潮汐、电阻率和流速等，方便选择适当电流密度。 （3）依据各部分（或不一样材质

34、）所要保护面积和保护电流密度，计算总保护电流量。 （4）依据被保护物结构尺寸、保护年限和所需总保护电流，选取适当电源设备、辅助阳极材料、结构、尺寸和数量，以及参比电极类型、结构和数量。 （5）依据被保护物结构情况和辅助阳极保护范围，确定辅助阳极和参比电极布置。 （6）假如要涂刷阳极屏蔽层，可依据海水电阻率与辅助阳极最大排流量，结合实用要求，选取一定屏蔽层材料并计算出阳极屏尺寸。第六章 电化学保护 第58页四、应用举例 1）保护面积 泵壳内表面面积：40 m2； 叶轮表面积：15 m2； 泵轴保护面积：8m2。 2）保护参数选择 叶轮保护电流密度：0.6Am-2； 泵轴及泵壳保护电流密度：0.2

35、Am-2； 总电流为：18.6A。1. 循环水泵 某滨海电厂循环水泵为4台72LKXA-17.5型立式混流泵，内腔采取外加电流阴极保护方法，保护年限为10a。按照每台水泵计算以下：第六章 电化学保护 第59页 3）设计 辅助阳极选取镀铂钛圆盘状阳极5只，适用工作电流密度为2.507.50Adm-2。每个辅助阳极表面积为100cm2，使用电流为3.72Adm-2，铂层厚度为10m。 参比电极采取AgAgCl电极，每台泵内设置两只。 恒电位仪采取24V36A可控硅型，每台泵设置1台。四、应用举例第六章 电化学保护 1. 循环水泵 某滨海电厂循环水泵为4台72LKXA-17.5型立式混流泵，内腔采取

36、外加电流阴极保护方法，保护年限为10a。按照每台水泵计算以下：第60页2海水热交换器设备 沿海电厂、石化厂等海水冷却系统腐蚀比较严重，各种类型海水热交换器都采取阴极保护和涂层联合保护方法。 1）钢冷却器被保护面积 水室2个，面积为20m2；管线68mm，长7.3m，共384根，因受保护面积限于管端长度为14，则S1420.203m2，则总面积约为78 m2。 2）保护电流密度 水室100 mAm-2；管内50 mAm-2。 3）所需保护电流：5.9A 设计选取14V12A恒电位仪一台，铅银合金辅助阳极2只，锌参比电极1只。四、应用举例第六章 电化学保护 第61页6.5 阴极保护新进展一、牺牲阳

37、极发展 伴随阴极保护技术普及，对于牺牲阳极来说，人们对此有了愈加深刻认识。当前，牺牲阳极实用配方已经基本定型和标准化，但开发高效、耐用、经济牺牲阳极则成为牺牲阳极材料发展方向，其中又以铝合金阳极性能研究及开发最为突出。 另外与热油输送管道保护相关高温阳极也成为发展方向。在牺牲阳极机理研究方面，对于铝合金阳极中铟、汞等元素活化作用机理，铝基牺牲阳极溶解过程和负差异效应，锌阳极晶间腐蚀原因和对策以及探索用工业纯原料代替高纯原料制造牺牲阳极等方面都有不一样进展。 在生产工艺及成型方面，经过对铸造过程中热处理及改变阳极常规形状，以提升电化学效率及改变原来单调外形，满足阴极保护多样化发展，如用于管线手镯

38、式阳极、用于保护管线带状阳极及小尺寸棒状阳极等。第六章 电化学保护 第62页二、外加电流阴极保护发展 外加电流中使用辅助阳极材料，由最普遍石墨和高硅铸铁发展到镀铂钛、镀铂钽和铅银阳极。最近国内外使用贵金属包覆阳极趋势在增大，如铂铌丝、铂钽丝等。另外，阳极形式也发生了改变，如LIDA阳极，它们单个阳极用导线连成一串，在析氯环境（海水）或析氧（土壤或淡水）环境中使用。 在对混凝土钢筋实施阴极保护时，可采取以下阳极，其一是网状辅助阳极，即在金属钛网上涂以混合金属氧化物。其二是导电混凝土，即用导电材料全部或部分代替混凝土中骨料，依靠这些导电组分间紧密接触而导电。其三是柔性阳极，它能够改变普通辅助阳极导

39、电均匀性差，易受介质电阻率影响缺点，可在更复杂场所下使用。 参比电极精度及使用寿命关系到参比电极好坏，当前长期有效参比电极（寿命5）发展及高纯镁电极和钼氧化钼电极都得到了应用。第六章 电化学保护 第63页三、阴极保护发展方向 电化学阴极保护在海水及土壤环境中，如舰艇、钢结构物、油气输送管道等方面基本上还采取经典或半经验性设计方法，今后在计算机辅助设计、优化设计和监测技术等方面会有较大发展。 第六章 电化学保护 第64页1阴极保护工程计算机辅助设计教授库系统 采取计算机技术专门进行阴极保护设计，分为常规法和当代法。 常规法是采取演练已久阳极计划设计思想、欧姆定律和法拉第定律对阴极保护系统进行设计

40、，其优点是有着近半个世纪设计试验和实际应用经验，仍是现阶段通用国际阴极保护系统设计主要伎俩。缺点是设计思想单一，对阴极保护系统实际运行发展态式无能为力。不能动态地对系统进行有效设计。 第六章 电化学保护 第65页 当代法是采取有限差分法、有效元法和边界元法等数值分析方法对阴极保护系统进行设计，尤其是计算机计算：有着良好应用前景，缺点是对边界条件要求苛刻，边界条件试验准确性直接影响到设计准确性，不然结果将含有很大偏差。 不论是常规设计法还是当代设计法并不是矛盾对立，而是相辅相成。只有将两种方法有效结合起来，发挥各自优点，才能对阴极保护系统进行最优化设计，这也是今后发展方向。第六章 电化学保护 第

41、66页 阴极保护教授库系统是阴极保护系统设计和系统管理一个应用方面，它是基于知识库和教授推理机制而发展一个计算机应用系统，对于不熟悉阴极保护人来说非常有用，也是属于腐蚀保护领域计算机进行管理应用方面之一。 数据库是腐蚀与防护学科一个主要组成部分，是几年、几十年数据积累，在阴极保护设计中占有主要地位，伴随关系型数据库发展，数据库设计已脱离了冗余计算等繁琐过程，多媒体数据库编制已成为当今时尚。第六章 电化学保护 第67页2. 阴极保护设计中数值计算方法1）传统阴极保护设计缺点与数值技术发展 在传统阴极保护设计中，牺牲阳极或外加电流系统辅助阳极在保护系统中位置主要是依据工程设计经验，以直观方式确定。

42、 对于简单海洋结构，直观设计是能够满足设计要求，但对于复杂深水平台，经验设计方法经常会造成构件上保护电位分布不均匀，有些构件可能形成过保护，析氢并破坏构件表面涂层，对于高强度材料甚至造成氢脆。同时，另一些构件则可能因为保护不足而发生各种腐蚀。对于结构更复杂深水导管架，构件间相互屏蔽作用比较严重，采取经验方法更难使保护电流到达均匀分布，尤其是在结构复杂节点处。第六章 电化学保护 第68页 在传统阴极保护设计中，各种环境数据，如海水流速、水温、溶解氧含量等参数，在设计中只能定性参考，不能实际应用于阴极保护设计计算中去，这是造成传统阴极保护设计过于保守主要原因。阴极保护设计中系统电阻为RRa+ Rc

43、 + Rm，其中Ra是阳极与海水间电阻，可采取Dwight和Sunde方程计算；Rc是阴极与海水间电阻；Rm为阴极与阳极间金属电阻。传统阴极保护设计中同时忽略了Rc和Rm，但有显著迹象表明，海洋结构中Rc是应该加以考虑，在一些复杂节点处如导管、桩袖处Rc值可能相当高。 在环境恶劣海域，传统阴极保护设计海洋结构保护显著不足，比如在英国北海油田进行一次海地管线调查表明，传统阴极保护设计不能使海地管线计划到满意保护电位，与新设计结果相差很大。新设计使手镯式牺牲阳极间隔从传统设计500m减至120m，而把原来阳极与阴极面积比由1:632降至1:222，可见传统设计在恶劣海域不足。第六章 电化学保护 第

44、69页 因为开发海域逐步加深及平台结构日益复杂，尤其是深水张力腿式平台，深达几千英尺，使得深水平台造价大幅度增加，高达几千万美元。对于一个使用寿命为2040a平台，假如采取新设计方法可节约39%牺牲阳极重量，对于一个大型深水平台，假如采取传统设计方法，就意味着将有几百吨铝合金被白白浪费了，而且因为过多使用牺牲阳极而造成平台载荷增加会影响平台稳定性，从而使导管架设计强度增加，由此造成浪费也是很大。 在过去十几年中，伴随计算机普及，应用计算机对海洋结构采取数值技术设计阴极保护系统得到了快速发展，这种趋势和世界范围内在更深海域石油钻探和生产活动相关，一些大型海洋结构尺寸和复杂性都到达了空前程度，所以

45、，就要求有一个更完美、更可靠方法来设计海洋结构阴极保护系统。第六章 电化学保护 第70页 20世纪80年代初，美国首先将数值技术用于海洋采油平台电位分布预测和阴极保护设计中，并取得了很大成功。这充分显示了数值技术在海洋平台阴极保护电位分布场研究中优越性。 阴极保护设计计算机数值计算其基本原理就是利用计算机技术，预先确定各种阴极保护设计方案，然后进行阴极保护电位分布场数值计算，求出在这个方案中保护电位场，利用计算机辅助设计功效进行修改、调整及优化。与传统阴极保护设计相比，数值技术主要优点是：第六章 电化学保护 第71页（1）平台阴极保护设计中利用数值方法，能够同时进行各种设计方案及其电位分布预测

46、，从而优化设计，防止保护不足和过保护现象，假如给定迭代精度，也能够确定阳极合理布置方案，以确保电位场均匀性；（2）依据电位分布及等位线图，能够预测腐蚀情况和进行实时腐蚀速度检测，从而改进对平台保护系统管理；（3）对各种环境参数及保护参数进行综合考虑，使设计方案最正确化，大幅度降低工程造价和降低牺牲阳极用量；（4）因为采取了计算机辅助设计，节约了设计时间，使原来需要几个星期设计工作在很短时间内完成，大大提升了工作效率。第六章 电化学保护 第72页2）数值技术在海洋结构阴极保护设计中应用 一个复杂海洋平台阴极保护所形成电位场是与许多空间不对称阳极-阴极位置相关，他们相互干扰，相互评选，阴极极化行为

47、受到海水电阻率、流速、溶解氧含量、表面状态及阴极极化史影响，这么多影响原因综合作用，只有采取数值技术才能很好地加以考虑。数值技术依据能量守恒原理来确定电位场中电位强度及分布，采取适当能量平衡模型和边界条件，计算整个数值模型中能量最小条件下电位梯度和每个元素中维持这个最小能量平衡所需要电流，这就是数值技术求解阴极保护电位分布场基本原理。 即使阴极保护电位场问题支配方程为Laplace方程：V2E0第六章 电化学保护 第73页 但详细数值解法不尽一样，且各有优缺点，这就是近年来在海洋结构阴极保护设计中受到重视有限差分法、有限元素法和边界元素法。（1）有限差分法（FDM） 有限差分法在腐蚀领域首次应

48、用是在1964年由Klingen和Fleck进行，但一直没有受到重视。这种方法是复杂边值问题近似离散方法，它被应用于腐蚀电化学系统理论处理，并在海洋工程阴极保护系统设计和系统检测中得到应用，如对结构进行电位测量，电场强度分析，电流密度和电位监测。在工业设备中，有限差分法还被应用于大型换热器阴极保护电位场分布计算，经过计算确定牺牲阳极最正确布置。 Munn使用有限差分法解Poisson方程计算电位分布，计算结果用来显示指定点电位改变，这个程序可在微型机上运行，经过迭代法解方程组收敛很快。另外，也可用于非均匀电解质电导率体系，如含有不一样电导率多层电解质体系和含有不一样线性梯度体系。下面是Munn

49、用有限差分法计算两个阴极保护体系实例。第六章 电化学保护 第74页 第一个实例为一个垂直立于海水中柱件，直径30.5cm，在海水中深30.5m因为海水电导率从表层到底层稍有改变，所以取电导率范围从0.04Scm-1到0.035Scm-1，使用单个Zn牺牲阳极焊在水面下3.05m处，Zn阳极电位为一1005mV（Vs.Ag/AgCl）。 第二个实例为一个二维海水介质阴极保护例子。保护海水罐是用来养海生物以供试验研究，罐中有两根6 in铜管，铜管中通热水以提升水温，因为铜管和罐体组成电偶腐蚀，所以阴极保护问题是怎样布置Zn阳极，以到达最正确保护效果。 保护前罐体因为与铜管形成电偶腐蚀，腐蚀电位高达

50、550mV（vs.Ag/AgCl），经过阴极保护，电位场等位线最高腐蚀电位为770mV（vs.Ag/AgCl）。罐体使用多年，保护效果很好。用有限差分法解Laplace方程，首先要用二阶差商近似代替偏微分方程中二阶偏微分，从而使方程变为差分形式。 第六章 电化学保护 第75页第六章 电化学保护 第76页第六章 电化学保护 第77页（2）有限元素法（FEM） 有限元素法最初用于航空及航天结构应力应变分析，是当前认识应力应变分析主要方法。同时，因为有限元素法是解能量守恒类物理问题有力数值工具，所以在传热及连续介质场问题中得到应用。20世纪80年代以来，这个方法被应用于许多电偶腐蚀研究和阴极保护设计

51、中，Munn介绍了有限元素法用于解电位分布和在电解质中多个金属系统中电力线分布问题，能够处理不规则几何形状和非线性极化行为。 Locheed采取了一个通用有限元程序NASTRAN来分析包含静电场及阴极保护电位场问题，这个程序使用能量守恒原理来确定能量场强度及分布，计算了每个电解质元素中维持最小能量平衡所需要电流。进入阳极元素能量应与离开阴极元素能量相等，这个程序能够考虑节点或其它临界区屏蔽作用，以及与时间相关极化行为。第六章 电化学保护 第78页 第二个通用有限元程序是由Casper和April在1983年提出，能够用来计算电流场、电场强度、电位分布等场问题。 另外，还应用FEM法设计和改进了

52、海水罐内阴极保护系统，原系统用了5个Zn阳极进行保护，因为按传统方法设计而引发过保护，使罐内涂层脱落，使用FEM设计后，用了5个Zn阳极，即到达满意保护效果。Alben W.Forrest和John W.Fu等人介绍了有限元素法在铜圆环腐蚀电池系统中模型及实测结果。除了在海洋工程腐蚀防护设计中应用外，有限元素法还被应用于隙缝腐蚀和点蚀扩展机制研究中。 有限元素法数学基础是变分法，把阴极保护电位分布场支配方程Laplace方程经过变分，归结为多元函数求极值，最终化为求解线性代数方程组，从而能够得到满足给定场问题数值解。这种很有规则方法轻易在计算机上实现，且易于适应几何形状复杂区域边界，比有限差分

53、法更灵活。第六章 电化学保护 第79页 解一个详细阴极保护电位场，首先要对场变量进行离散，即剖分为有限个元素，假如使用线性有限元，则在每一个元素上场变量是线性改变，选择这么插值函数比较简单，对普通场问题都能得到足够准确解。有限元素法优点是能够采取不一样大小元素来离散求解区域，在电位梯度大区域能够使用较小元素，而在电位梯度小地方，使用较大元素。这么，可在不增加节点和元素数量前提下，提升计算精度，降低对计算机内存空间要求。 有限元素法元素形状很灵活，在二维问题中，可采取三角形，矩形，等参数四边形等许各种元素。有限元素法另一个优点是充分预计了元素对节点参数作用，因为每个元素划分得足够小，这么我们能够

54、把其中变量近似看做线性分布。在海上平台电位分布计算中，只要划分得充分小，误差不会很大。第六章 电化学保护 第80页（3）边界元素法（BEM） 边界元素法是由J.W.Fu，S.K.Chow和D.J.Danson以及M.A.Warne在1982年提出一个有效计算阴极保护电位方法。边界元素法主要优点是只需对腐蚀体系中阴极表面进行离散剖分。因为不一样剖分电解质区域，故大大降低了元素和节点数目。在数学上，边界元素法经过Green定理得到，Green定理指出，假如电中性条件存在于均匀介质中，包围这种介质曲面电位分布一定满足Green公式，这种曲面电位分布规律是均匀体性质。即使在物理意义上边界元素法很抽象，

55、然而Green定理已在许多应用中得到证实，在用有限元素法计算过铜环阴极保护系统中电位分布后，John W.Fu和Jimmy.S.Kchow又采取边界元素法进行了计算，效果也很好，三维曲面Green公式为：第六章 电化学保护 第81页 其中p，q是阴极表面上点，rp,q为此两点间距离，nq为垂直阴极表面单位向量，上面方程是对包围着介质封闭曲面积分。在二维空间，介质被约束在一条封闭曲面内，公式为：I 为包围介质曲线。 由以上方程能够看出，均匀介质中任何一点电位都与整个曲面上电位分布相关，这就是P点在曲面上情况。假如P点在介质中，上面方程要除2。比如，P点是介质中点，三维空间方程为：第六章 电化学保

56、护 第82页 对于海洋结构阴极保护来说，我们感兴趣是在阴极表面上电位分布，所以可在整个阴极表面上进行元素网格剖分，用每个元素中心点作为这个元素代表点。对每一点P，电位可由全部其它点积分表示，这么，曲面积分就可表示为每个元素和。假如有N个元素，就可建立N个联立线性方程组，并利用N个线性方程解出N个点电位值。 与有限差分法相比，边界元素法特点是不用离散电解质区域，大大降低了求解区域内元素及节点数目。同时，因为这些区域不是腐蚀工程师所感兴趣地方，故能大大节约计算机内存空间。 但边界元素法所形成矩阵不含有对称性和稀疏性，所以，部分抵消了其节约计算机内存空间优点。第六章 电化学保护 第83页3）阴极保护

57、电位场数值求解过程 （1）模型生成 在进行电位分布计算之前，腐蚀系统几何形状及边界条件必须以数学方式进行处理，方便于计算机计算。这项工作可由人工进行求解区域离散，节点拓扑，元素信息编码，并输入计算机中。对于大型阴极保护设施及复杂海洋结构，进行人工剖分等一系列工作是不可能，除了要花费时间外，更严重是可能产生错误，造成计算结果失实。不论是哪种数值方法或对哪部分区域进行离散，手工总是很困难，当元素网格包含几百甚至几千个节点时，这项工作要占用大部分时间，所以，开发生成系统拓扑自动或半自动方法是很有必要。但到当前为止，还没有完全通用模型生成系统，一些程序只能生成一个类型，如三角形或等参数四边形元素等。第

58、六章 电化学保护 第84页（2）方程求解 三种数值方法最终都将形成大量线性方程所组成方程组，所以方程求解是求电位分布主要一环，即使解方程算法很多，如消元法、迭代法及各自改进方法，但必须依据详细问题，加以选择。（3）后处理 在计算求出各个节点电位值后，要进行数据后处理，画出等位线图或电位曲面图，进行插值及平滑处理，这些工作都将由后处理程序完成。第六章 电化学保护 第85页（4）数值解精度 a边界条件 数值计算中采取边界条件除结构几何形状、介质电导率、阴极极化行为外，一个更主要动力学原因是实效作用。实效作用是钙质沉积层在阴极表面形成结果，实效原因与材质，表面状态，环境条件，阴极极化史和时间相关。在

59、阴极保护情况下，阴极电流会使阴极区产生氢氧根离子，同时，阴极附近海水中碳酸根离子浓度增加，引发碳酸钙和氢氧化镁沉积。采取稍高于实际极化惯用电流密度，可加速钙镁沉积层形成，用432 mAm-2电流密度，可取得良好钙镁沉积层。在918mAm-2电流密度时，钙镁沉积层最致密且含有等量碳酸钙和氢氧化镁。钙镁沉积层一旦形成，便可大大降低保护电流用量，不过在深海处因压力大，碳酸钙欠饱和，故不大轻易形成钙镁沉积层。当电流密度低于某一临界值时，钙镁沉积层不会增加，一样，在进行断续阴极保护情况下，阴极表面钙镁沉积层也较连续保护时沉积层要薄，即钙镁沉积层形成和增加与电流密度和阴极极化史相关。第六章 电化学保护 第

60、86页 钙镁沉积出现结果，致使溶解氧扩散到阴极表面速度减慢，氧还原受到阻滞，使保护电流降低。 因为钢在海水中阴极极化行为随时间改变，在到达稳态之前，极化曲线是时间函数，只有准确地测得电位-电流-时间关系，才能准确地描述系统在阴极保护下状态。对于一个实际保护系统，简单理论模型显然是不能满意地建立可靠程序来处理实效问题。只有建立大范围阴极保护电位数据库系统，进行大量试验及原位以及保护测量，才能很好地模拟实效作用。 在进行数值计算时，边界条件能够在不一样水平层次上测量，并逐步增加复杂程度，下面是几个实际测量步骤。 （1）恒定电流密度，即在一定阴极保护电位下，边界条件为常数值； （2）电流密度和电位为