（电气工程专业论文）金属管线阴极防腐装置的研制与开发.pdf

金属管线阴极防腐装置的研制与开发 摘要 在金属腐蚀中，电化学腐蚀最为严重，防止这种腐蚀的有效方法是阴极防 腐，因此，该方法在工程上已获得广泛应用，并取得了一定效果。但是，与之 配套的电源等设备普遍存在着可靠性不高、输出纹波较大等缺点，而且电路复 杂，损耗大，体积也比较笨重。 针对减小输出纹波，改进稳压效果，本课题采用了以绝缘栅双极型晶体管 i g b t 为核心元件的p w m 型防腐直流电源，利用t l 4 9 4 芯片产生p w m 波， 并结合m 5 7 9 6 2 l 驱动芯片提出了具有较完善性能的i g b t 驱动电路和i g b t 过 流保护电路，为减小直流输出纹波，提高设备的可靠性奠定了基础。 经过探索和实践，本课题完成了原理的可靠性论证，研制出了一台 1 0 0 a 9 0 v 的电源样机。实验表明，采用上述技术措施研制的电源，参比电位稳 定度高，直流输出纹波下降，可靠性有了较大提高，并且体积和重量都有了明 显减小。 本文阐述了这套电源装置的技术方案，详细介绍了主电路和驱动电路以及 过流保护电路的工作原理，并给出了实验步骤和实验数据。在理论分析和实验 的基础上，我们认为利用p w m 技术研制开发的新型防腐直流电源是可行的， 其性能优于可控硅式整流防腐电源，有较大的应用推广价值。 关键词：阴极保护电源i g b t m e t a l st u b el i n ec a t h o d e a n t i s e p s i se q u i p o fr e s e a r c ht o m a n u f a c t u r ew i t ht h e d e v e l o p m e n t a b s t r a c t i no r d e rt or e d u c et h ec o r r o s i o no fm e m lp i p e l i n ea n dp r o l o n gt h el i f e o fi t ， t o d a y , c a t h o d ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di np r o j e c t ，b u tt h e d e d i c a t e d p o w e rs u p p l y h a s m a n y d e f e c t so fl o w r e l i a b i l i t y , l a r g ed i r e c tc u r r e n t 邱p i e ， c o m p l i c a t e dc i r c u i t ，b i gl o s s ，a n d s oo n i no r d e rt or e d u c ed i r e c tc u r r e n tr i p p l ea n di m p r o v ec o n s t a n t - v o l t a g ee f f e c t ， i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r - - - i g b th a sb e e ns e l e c t e da st h em a i nc o m p o n e n ti n d i r e c tp o w e rs u p p l yf o rc o r r o s i o np r e v e n t i o n t l 4 9 4i su t i l i z e dt op r o d u c ep w m w a v ea n di sc o m b i n e dw i t hm 5 7 9 6 2 l d r i v i n gc h i pt or e a l i z ei g b td r i v i n gc i r c u i t a n di g b to v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i tw i t hp e r f e c tp e r f o r m a n c e ，w h i c hl a y st h e f o u n d a t i o n sf o r r e d u c i n g d i r e c tc 1 】i t c n tr i p p l ea n d i m p r o v i n g r e l i a b i l i t y b ym e a n so fp r a c t i c a la c t i v i t i e s ，w eh a v ef i n i s h e dt h es t u d yo np r i n c i p l ea n d e x p e r i m e n t s a sac o n s e q u e n c e ，o n es a m p l ep o w e rs u p p l yw i t h1 0 0 a 9 0 vh a sb e e n m a d e t h e e x p e r i m e n t s h a v es h o w nt h a tt h en e wd e v i c ei s s u p e r i o r i n c o n s t a n t - v o l t a g e e f f e c to fr e f e r e n c ee l e c t r o d e ，d i r e c tc u r r e n t r i p p l e ，r e l i a b i l i t y , v o l u m ea n d w e i g h tt h a n t h eo l do n e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h e t e c h n o l o g y s c h e m e so ft h e p o w e rs u p p l y a n d d e s c r i b e st h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f t h em a i nc i r c u i t ，i g b td r i v i n gc i r c u i ta n di g b t o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i ti nd e t a i l t h ee x p e r i m e n tp r o c e d u r ea n dt h er e l a t e d d a t aa r ep r e s e n t e da l s o o nt h eb a s i so f t h e o r ya n a l y g s a n d e x p e r i m e n t s ，w ec o n s i d e r t h a tt h e a p p l i c a t i o n o fp w m t e c h n o l o g yf o rn e wp o w e rs u p p l yi sa v m l a b l e t h en e w p o w e rs u p p l y i ss u p e r i o rt oo l d o n e ，a n di so f g r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：c a t h o d ep r o t e c t i o np o w e r s u p p l y i g b t 刚青 胜利油田地处沿海，常年气候潮湿，地下水位高，土壤腐蚀严重，给油田 的生产带来很大影响和损失，为了减轻管线腐蚀，延长管线的使用寿命，阴极 保护技术在工程上已获得广泛应用，其中外加电流阴极保护是将被保护金属体 与外加电源负极相连，由外部电源提供保护电流，降低被保护金属体的电位， 以降低腐蚀速率的方法。 外加电流阴极保护法输出电压和电流连续可调，保护范围大，寿命长，但 需要外部电源，阴极保护电源是外加电流阴极保护系统的核心，其性能直接关 系到保护系统能否正常运行，被保护对象能否得到有效保护。 目前油田上常用的阴极保护电源主要是采用可控硅技术，难以适应油田复 杂的阴极保护系统的需要，存在体积笨重，输出纹波较大，电路复杂，可靠性 不高等缺点。 本课题研制的以新型电力电子器件i g b t 为核心元件的p w m 型防腐保护电 源具有参比电位稳定度高，直流输出纹波下降，抗交流干扰能力强等优点， 并且体积和重量都有了明显减小，可靠性有了较大提高；其性能优于可控硅式 整流防腐电源，有一定的实用价值。 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员 审查，确认符合合肥工业大学硕士学 位论文质量要求。 答辩委员会签名 两茁、烈奇太冷靓双 委员：么i - 砌f 拥1 1 多工膨纠为哆， 搬，鬃锑岛童 ，溉专- 毗 吲 j 峨逸品嗡精 键龆薅 导师：弃记 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金墅王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献钧已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名麟签字日期：z 码年月而日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些盍堂 有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权 金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 日 学位论文作者签名： 签字日期：l 码年6 月四日 学位论文 工作单位 通讯地址 导师签名：窃级 签字日期： p 3 年苫月午 电话：移刮7 五7 邮编：；7 7 ； 致谢 自2 0 0 0 年下半年入学以来，得到了合肥工大电气工程学院及研究生院的支 持与帮助，从而使我顺利修完了在职工程硕士研究生的全部课程。在合大方敏 教授及石油大学电气研究室老师的悉心指导下，在现场指导教师盂庆贵高工的 热情帮助下，完成了课题的设计与实验调试，并最后完成了毕业论文的撰写工 作。我的每一点进步都浸透着导师们的心血。在此衷心感谢导师们对我学业上 的帮助和教诲。 我的导师方敏教授在我的论文选题、实验方案的选择与确定等方面都倾注 了不少心血。石油大学电气室的老师们为我创造了良好的实验条件，提供了宽 敞的实验场所及齐备的实验设施与器材，才使得我能够顺利地完成论文实验。 现场指导老师盂庆贵高工为我提供了课题，热情洋溢的与我探讨课题的 研究方向与设计思路，为课题的完成指出了正确的方法。再次表示感谢。 石油大学电气室的老师们，在百忙之中不厌其烦地为我解答问题，对我的 实验进行了具体指导，在论文完成期间还为我多次提供了很有价值的参考资料， 这种既是老师又是朋友的情谊我会铭记在心。 由于本人水平有限，再加上工作和家庭占去了一些精力和时间，使得实验 和论文还存在不少瑕疵，为此谨向导师们表示诚挚的歉意。 在我完成学业和论文期间，我的任课老师和导师们表现出来的严于律己的 精神及科学的态度，对我的影响颇深，使我的工作态度发生了较大的转变。 三年来，在老师们的教诲与潜移默化的影响下，使得我这几年进步很大， 一定程度上提高了综合分析问题和解决问题的能力，在解决工作中的问题时有 了更多的思路和方法。 通过三年的学习，我也清醒地认识到自己的不足，今后一定继续学习，工 作中取得更大的成绩，以回报我的老师们。 韩曙光 2 0 0 3 4 2 8 第一章金属管线腐蚀机理及防腐技术 第一节金属管线腐蚀机理及危害 金属的腐蚀是指在周围介质( 最常见的是气体和液体) 作用下，由于化学变 化、电化学变化或物理溶解作用而产生的破坏。即金属腐蚀是包括金属材料和环 境介质两者在内的一个具有反应作用的体系。 在工业生产中，埋在地下的输送油、气、水的各种钢质管道、电力电缆、通 信电缆会受到腐蚀；各种钢质储油罐、储水罐的内壁、罐底会受到腐蚀。国内石 油工业因管道腐蚀造成的损失是十分惊人的。以胜利油田为例，据初步统计，因 金属管道腐蚀造成的年更换率为2 5 ，每年至少更换4 0 0 多公里管线，因腐蚀 更换年少产原油l ，6 1 0 4 t ，两项合计胜利油田每年损失6 0 0 0 万元。 腐蚀不仅能造成油气的跑、冒、滴、漏，产生直接的经济损失，而且可以引 起火灾、爆炸等恶性事故，或迫使工厂停产、污染环境、浪费资源等等，造成的 间接损失更加巨大。因此，对腐蚀的危害绝对不能等闲视之。 长距离地下油、气管道的腐蚀，较之一般地下金属结构的腐蚀更具有下述严 重性。 ( 1 ) 局部穿孔会引起重大损失 地下金属管道的腐蚀往往是在局部管道上形成个别穿孔。虽然就其金属重量 损失而言，是非常微小的，但却可能导致输送物质的大量漏失，并可能引起火灾 事故。尤其因管道大都在野外，埋置于地下l 2 米深处，不易及时发现漏损。 ( 2 ) 可能发生腐蚀的影响范围大 长距离管线可能长达数百以至数千公里。全部埋置地下与土壤接触的管道均 会在不同程度上受到土壤腐蚀的威胁，故可能发生腐蚀的影响范围很大。 ( 3 ) 维修困难 地下管道的维修，需要进行大量的土方工程，比新建管线还要费工。尤其在 冬天道路积雪、春季化冻翻浆时，工程车辆不易进入线路附近，抢修管道的手工 劳动很繁重，特别是输送热原油的管路，不仅在安全防火上要求严格，而且在停 输或降低输量时，还有原油在管内冻结的危险。 ( 4 ) 土壤腐蚀的情况复杂 由于管道沿线的土壤性质往往差别较大，而且变化多端，土壤腐蚀影响因素 又较多，目前尚未完全探明其规律。防护措施的设计，往往也是根据经验和一些 试验数据进行的。 正因为上述原因，随着长距离油、气管线的迅速增加，如何防止地下金属管 道的腐蚀损坏己成为生产上的重要问题之一，土壤腐蚀问题逐渐得到了各方面的 重视，各国都在积极展开长距离管线的有效防护措施的研究。 事实已经证明：针对腐蚀环境进行周密细致的调查，摸清腐蚀介质的腐蚀性， 选择耐蚀钢材及合理的防腐覆盖层，确定合适的阴极保护系统及运行管理体制， 并做出一个完整的防腐蚀设计。只要使这些技术和措施都能实现，就可以把腐蚀 控制在最小范围内，从而大大延长管线和设备的使用寿命，确保油田长期安全生 产。 第二节土壤腐蚀 1 2 1 土壤腐蚀性 在油田生产中，遇到的最多最普遍的外腐蚀荆就是土壤，本课题也以土壤腐 蚀防护为主。土壤是一个由固、液、气三相组成的极为复杂的多相体系。在土壤 中，土粒阃存在大量毛细管微孔，空隙中充满空气和水。水在土壤中以多种形式 存在。土壤为离子导体正是水的存在所致，因而可把土壤看成腐蚀性电解质。由 土壤的上述特点使土壤腐蚀和其他电化学腐蚀过程具有不同的特征，就是氧的传 递。氧在溶液中是通过溶液本体输送，而在土壤腐蚀时通过土壤的7 l 隙输送。在 不同结构和湿度的土壤中，氧的渗透率会有很大差别。土壤腐蚀时氧浓差电池将 起很大作用。 1 2 2 土壤腐蚀的类型 l 、微电池和宏观电池引起的土壤腐蚀 在土壤腐蚀的情况下，除了困金属组织不均匀性引起的腐蚀微电池外，还可 能由于土壤介质的不均匀性引起宏观腐蚀电池。由于土壤透气性不同，使氡的渗 透速度不同，直接影响和土壤相接触的金属各部分的电位，这是形成氧浓差电池 的主要因素。 ( 1 ) 微电池腐蚀 对于比较短小的金属构件来说，可以认为周围土壤结构、水分、盐分、含氧 2 量等是均匀的，这时发生和金属组织不均匀性有关的微电池腐蚀。 ( 2 ) 长距离管道穿越不同 土壤形成的宏观电池 对于长的金属构件和管道， 穿越不同土壤时会因氧的渗透 率不同而形成氧浓差电池，埋 在氧的渗透性差、密实、潮湿 的粘士中的管线作为阳极而 被腐蚀。如图卜l 示。这类宏 图1 - 1 管道在结构不同的土壤中所形成的氧浓差电池 观电池可产生较可观的腐蚀电流，造成局部腐蚀。在阳极部位产生较深的腐蚀孔， 使金属构件遭受严重破坏。显然，土壤的电导率越高，腐蚀电流值也越大。 ( 3 ) 两种不同金属与土壤接触产生的宏观电池 钢管的本体金属和焊缝金属成分不一样，两者的电位差有的可达0 2 7 5 v ， 因此埋入地下后电位低的部位即遭受腐蚀。油田中常见的管线的焊口部位、新旧 管线连接部位的腐蚀穿孔就属于这种情况。 ( 4 ) 埋设深度不同引起的腐蚀宏观电池 如图1 2 所示，由于壤埋深不同，氧的浓度不同，管线上面接近地面，回 填土不如原土密实，故氧气充足，氧的浓度大，管线下部土壤密实，氧的浓度小。 因此，管线上下两部分电极电位不同，底部的电极电位低，是腐蚀电池的阳极区 ( a ) ，遭受腐蚀。地下管道最常见的外腐蚀现象就是由于氧浓差电池所造成的。 a 图i 2 管道下部遭受腐蚀穿孔k 一阴极区 也就是说，在管道的不同部位，由于氧的含量不同，在氧浓度大的部位金属的电 极电位高，是腐蚀电池的阴极；氧浓度小的部位金属电极电位低，是腐蚀电池的 阳极，遭受腐蚀。 2 、杂散电流引起的土壤腐蚀 所谓杂散电流是指由原定的正常电路漏失而流入它处的电流。主要来源是应 用直流电的大功率电气装置，如电气火车、有轨电车、电解和电镀槽、电化学保 护装置等。地下埋设的金属构筑物、管道、电缆等都容易因这种杂散电流引起腐 蚀。 漏失而流入到地下管道某处的电流，会再从管道的另一处流出，回到原处。 电流离开管线进人大地处成为腐蚀电池的阳极区，该区金属遭到腐蚀破坏。杂敬 电流的电流强度愈大，腐蚀就愈严重。杂散电流造成的腐蚀损失相当严重。计算 表明，杂散电流干扰比较严重的区域，8 9 r n m 厚的钢管，只要2 3 个月就会 腐蚀穿孑l 。 交流杂散电流也会引起腐蚀，主要来源于交流电气化铁道和高压输电线路 等。这种工频杂散电流腐蚀破坏作用较小。如频率为5 0h z 的交流电，其作用约 为直流电的1 。 防止和克服杂散电流的措施之一是增加回路电阻，即对容易流入杂散电流的 管道加强绝缘，以减少腐蚀电流。二是排流保护，即在被保护的金属管道上用绝 缘的金属电缆与排流设备连接，将杂散电流引回发出杂散电流的铁轨或回归线 上。 3 、土壤中微生物引起的腐蚀 在缺氧的土壤中，如密实、潮湿的粘处，金属腐蚀过程似乎难以进行，但 这种土壤条件却有利于某些微生物的生长。常常发现。因硫酸盐还原菌( 厌氧菌) 和硫杆菌的活动而引起金属的强烈腐蚀。 1 2 3 土壤腐蚀性的评价 对土壤的腐蚀性进行测定和评价，根据腐蚀等级，有针对性地采取相应的防 表1 1 壤腐蚀性等级壤电阻率n m 强 5 0 护措施，保证油田正常生产是非常必要的。一般地区的土壤腐蚀性，通常按土壤 电阻率大小分级，见表l - l 。埋地金属构筑物与不同的土壤接触，在其不同部位 的界面上形成不同的金属电极电位，电位差的存在是引起金属土壤腐蚀的主要原 4 因。它通过土壤介质构成回路，形成腐蚀电池，符合欧姆定律，可以用下式表达： ，：垡二垡 。 r s + r + ， 式中，腐蚀电流，a霹阴极电位，v e 阳极电位，v马土壤电阻，q 也阳极极化电阻，q阴极极化电阻，q 因此，凡能影响土壤中金属电极电位、土壤电阻和极化电阻的各种土壤物理 化学性质，都可能影响土壤腐蚀性，仅用土壤电阻率来划分土壤腐蚀性等级就不 够全面，可再参考下表土壤腐蚀性评价指标。 表1 2 指标级别 电流密e z a c m 2 极轻较轻轻 d j 强 9 防止土壤腐蚀的方法很多，目前普遍使用的是覆盖层或覆盖层和阴极保护相 结合的方法。 第三节电化学腐蚀 1 3 1 电化学腐蚀的基本概念 电极、电极电位、参比电极： 和离子导体接触的电子导体( 即金属) 称为电极。与同一离子导体接触的电 极和参比电极间，在外电路中测得的电位差称为电极电位。用于测量电极电位的 基准电极，它具有稳定的、可再现的电位的电极称为参比电极，例如用于土壤和 水中构筑物电位测量的铜饱和硫酸铜参比电极( 简称硫酸铜电极) 对标准氢电 极的电位为+ o 3 2 v 。 若已知用某一参比电极( 它对氢电极的相对电位为点矗) 测得金属电位e l ， 要想把它换算成另一参比电极( 它对氢电极的相对电位为点谊) 测量的相对电位 岛，则可用下式计算： e l = e l + e h 、一e h 睦 金属在土壤中的电位，一般是指相对于铜硫酸铜电极测得的电位。 5 1 3 2 金属的电化学腐蚀 金属的电化学腐蚀是由于金属与电解质溶液接触时形成了腐蚀原电池的结 果。如把锌和铜两个电极置于稀h ：s 0 4 溶液中，当用导线把它们连接起来时- 导 线上便有电流流过，这种装置叫做原电池。 通常规定电位较低的电极称为阳极，电位较高的电极称为阴极。在图1 - 3 所 示铜锌电池中，锌电位较低作为阳极，会不断地失去电子成为z n “进入溶液， 即锌不断地被氧化溶解：铜电位高作为阴极，仅起传递电子的作用，使酸中的 h + 得到电子被还原，成为氢气从铜的表面逸出，而铜本身无变化。 若把铜和锌两块金属接触在一起并浸于电解质溶液中( 例如稀h 2 s 0 4 ) ，也将 发生同样的变化。在这种情况下锌为阳极，它所失去的电子流过与之直接接触 的铜并在它的表面上为溶液中的h + 接受，于是锌不断地变成z n “进入溶液中， 锌被腐蚀，由此可见，金属在电解质溶液中的腐蚀是由于形成原电池所致。这样 的电池叫做腐蚀原电池。 即使是一块金属，放在电解质溶液中，也会 产生与上述类似的腐蚀电池。这是因为在金属表 面上分布若很多杂质，当它与电解质溶液接触时， 每一颗杂质对于金属本身来说都会成为阴极或阳 极，所以在整个表面就必然会有很多微小的阴极 和阳极同时存在，形成很多微小的腐蚀微电池。 总结前面所述，可以把电化学腐蚀过程看作 由三个环节组成： 图i - 3 伏特电池图解 ( 1 ) 在阳极，金属被氧化溶解，金属原子失去电子变成金属离子进入溶液 中：m e n e m e ”( 阳极过程) ( 2 ) 在阴极，是氢或氧这些去极化剂吸收电子被还原的阴极过程： 2 h 十+ 2 e h 2f 或0 2 + 2 h 2 0 + 4 e - - 4 0 h ( 在中性或碱性液中) ( 3 ) 电流流动：在金属中由电子导电，电子由阳极流向阴极；在溶液中由 离子导电，阳离子由阳极向阴极迁移，阴离子由阴极向阳极迁移，这样使电池中 的电路构成通路。要使腐蚀电池继续工作下去，必须这几个过程同时进行才行， 只要有一个过程被抑制住，那么腐蚀也就被抑制住了。 6 由于金属材质的不均匀和腐蚀剂的不均匀性，金属表面各点的电极电位很容 易不相同，与腐蚀介质接触，就会形成腐蚀电池，腐蚀就不可避免地发生了。腐 蚀中主要的大量的是电化学腐蚀，约占全部腐蚀的8 0 9 0 。 1 3 3 腐蚀电池的极化现象 ( 1 ) 腐蚀速度 金属在使用中，人们不仅关心它是否会发生腐蚀，更关心其腐蚀速度的大小。 腐蚀速度表示单位时间内金属腐蚀的程度。对于电化学腐蚀来说，还常用阳极电 流密度来表示。因为在稳态下通过腐蚀电池的电流与金属阳极溶解速度的大小有 严格的当量关系( f a r a d a y 定律) 。但根据阴极、阳极反应平衡电位之差计算出来 的电流数值却比实测的腐蚀电流大得多。 ( 2 ) 腐蚀电池的极化现象 将同样面积的z f l 和c u 浸在3 n a c i 溶液中，构成腐蚀电池，z n 为阳极， c u 为阴极，两电极通过装有电流表a 和开关k 的导线连接起来，如下图1 - 4 a 所示。分别测知两电极的开路电位为e o z n = 0 b y , e 。c u 一0 0 5 v ，原电池的总电阻 r = 2 3 0 0 开路时，由于电阻一o 。，故1 0 - - 0 开始短路的瞬间。电极表面还来不及变化，根据欧姆定律电池通过的电流应 为： 铲毕= 堂啬螋n ，枷 图l - 4 a c u z n 腐蚀电池图1 - 4 b 腐蚀电池接通前后阴阳极电位变化图 但短路后几秒到几分钟内，电流逐渐减小，最后达到一稳定值o 2 m a 。此值还不 到起始电流的l 1 8 。根据欧姆定律，影响电池电流大小的因素有两个：一是电 7 池的电阻；二是两电极间的电位差。在上述情况下，电池的电阻没发生多大变化， 因此电流的减小必然是由于电池电位差变小的缘故。即两电极的电位发生了变 化。实际测量结果也证明了这一点，如图1 - 4 b 。由图可见，开关接通金属开始腐 蚀后，在体系的总电阻变化不大的情况下，阴、阳极的实际电位与其相应的平衡 电位有很大差别；阳极金属的实际电位较其平衡电位变得为正( 电位升高，即阳 极极化) ，阴极反应的实际电位变得较其平衡电位为负( 电位降低，即阴极极化) 。 因此，阴、阳极电极电位差减小了，而这种实际电位差决定腐蚀电流，从而决定 腐蚀速率。这种由于电流流过电极而使电极电位显著偏离了未通电时的开路电位 ( 平衡电位或非平衡的稳态电位) 的现象，叫电极的极化。显然阴极电位向负方 向变化，阳极电位向正方向变化，极化的结果是使腐蚀电池的实际电位差减小了， 腐蚀电流急剧降低，从而起到降低腐蚀速率的作用。 ( 3 ) 极化原因 阳极极化表示阳极过程受到阻滞，阳极极化的主要原因是浓差极化，是由于 从阳极金属上溶入溶液中的金属离子偏聚于阳极金属附近而造成的。这种原因造 成的电位变化一般不大。即在一般活化状态下阳极极化曲线较平缓，阳极极化 程度不大。但如果金属发生钝化，即腐蚀过程中在阳极金属表面生成一种极薄的 阻滞阳极反应的膜，则阳极曲线很陡，极化度很大，这种原因造成的电位变化很 大，能减缓甚至抑制腐蚀过程。 阴极极化表示阴极过程受到阻滞，主要原因也是浓差电池，是由参与阴极反 应的某氧化剂难于到达阴极表面而引起的。如对于最常见的中性水溶液中的腐蚀 过程，主要是阴极反应所需氧的供给困难所致。氧在溶液中的传递可以通过对流 和扩散来进行，而紧靠电极表面有一薄层溶液是不流动的，只有靠扩散才能通过， 而扩散传递速率是有限的。当氧的供给速度满足不了电极反应的需要时，来自阳 极的电子不能及时被吸收，阴极电位降低很多，因而阻碍了金属腐蚀的进行，使 腐蚀速率不会很高。 第四节腐蚀极化图 1 4 1 腐蚀极化曲线 极化曲线是表示电极电位与通过的电流密度之间的关系的曲线。曲线的倾斜 程度( 即斜率) 表示某电流密度值下的极化程度，叫极化度( 或极化率) ，可表 示为：p = d e d i = t a l l g t 8 极化曲线越陡，极化程度就越大，表示电极过程受阻滞程度越大，进行越困难。 1 4 2 腐蚀极化图 如果把极化曲线的电流密度坐标直接以实测的电流强度值表示，然后把阴极 和阳极极化曲线画在一个图内，这种图就叫极化图。 图1 5 为一腐蚀电池。开路时，测得阴、阳极的电位分别为e o , c 和e o a t 然 后用高阻值的可变电阻把二电极连接起来，依次使电阻r 值由大变小，电流则 由零逐渐变大，相应地测出各电流强度下的电极电位，绘出阴、阳极电位与电流 强度的关系图，如图1 - 6 就是腐蚀极化图。 詹 图i - 5 屑蚀电极极化行为图1 - 6 腐蚀电池的阴、阳极 测量装置示意图电位随电流强度的变化 由图可见，电流随电阻r 减小而增加，同时电流的增加引起电极极化。使阳极 电位变正，阴极电位变负，从而使两极间的电位差变小。由于r 是任意调节的， r 减小对电流的影响远远超过电位差减小对电流的影响。故总结果使电流趋于增 大。当包括电池内、外电阻在内的总电阻减小趋近于零时，电流达到最大值i 。a x 。 此时阴阳极极化曲线将交于s 点。这时阴、阳极电位相等，即e = i r = 0 。但实 际上得不到交点s 。因为总电阻不可能等于零，即使两电极短路，外电阻等于零， 仍有电池的内阻存在。因此，电流只能达到接近于i r 。的i i 。设图中e o c 为阴极 反应的平衡电位，e 0 为阳极反应的平衡电位，对应于电流i i l ，阴、阳极平衡 电位之差( 原电池电势) e o c e o 共有三部分电位降落：阴、阳极的电位变化 即阳极极化e a 和阴极极化e c ，以及电阻降落m 。其中只有取是用来产生腐 蚀电流i 的。可推知阴、阳极极化率越大，系统的总电阻越大，则腐蚀电流越小， 电化学腐蚀速度越小。 9 + e 腐蚀极化图是一种电位一电流图，它并不代表一个腐蚀过程，极化曲线只是 简化腐蚀极化图 说明电极电位同流经电极的电流之间的对应关 系。为了方便起见，常常忽略电位随电流变化的 细节，将极化曲线画成直线形式。这样可得到如 下图所示的简化腐蚀极化图，也称为e v a n s 图。 若忽略溶液电阻，图中简化的极化曲线可交于一 点s 。交点对应的电位叫混合电位，处于两电极 平衡电位之间。由于此阴、阳极反应构成了腐蚀 过程，所以混合电位就是自腐蚀电位，用e c o r r 表示。图中与腐蚀电位对应的电流叫腐蚀电流。金属就是以此电流表示的速度不 断地腐蚀着。极化曲线和极化图是现代腐蚀研究中非常重要的工具，根据腐蚀极 化图可以较容易地确定腐蚀电位并解释各种因素对腐蚀电位的影响。 第五节阴极保护 阴极保护是使金属构件作为阴极，通过阴极极化来消除该金属表面的电化学 不均匀性，达到保护目的。阴极保护是一种经济而有效的防护措施，其应用已有 一百多年历史，使用范围日益广泛。一些要求在海水、土壤中使用几十年的设备， 如海洋平台、轮船、码头、地下管线、电缆等，都必须采用阴极保护，提高其抗 腐蚀能力。 阴极保护的经济效益非常显著。一座海上采油平台的建造费超过1 亿元，而 牺牲阳极材料和施工费只需1 0 0 2 0 0 万元。不采用保护，平台寿命只有5 年， 而阴极保护下可用2 0 年以上。地下管线的阴极保护费只占总投资的o 3 0 6 ， 就可大大延长使用寿命。 1 5 1 阴极保护原理 阴极保护原理可用图1 7 所示的极化图加以说明。当未进行阴极保护时，金 属腐蚀微电池的阳极极化曲线e o 和阴极极化啦线e n c 相交于点s ( 忽略溶液电 阻) ，此点对应的电位为金属的自腐蚀电位e 。对应的电流为金属的腐蚀电流 i 。在腐蚀电流i 。作用下，微电池阳极不断溶解，导致腐蚀破坏。当金属进 行阴极保护时，在外加阴极电流i l 的极化下，金属的总电位由e 。变负到e 。， 1 0 总的阴极电流i c 1 中，一部分电流是外加的，即i l ，另一部分电流仍然是由金属 阳极腐蚀提供的，即i - l 。显然， 这时金属微电池的阳极电流i a , l 要比原来的腐蚀电流i 。减小 了。即腐蚀速度降低了，金属得 到了部分的保护。差值( i c 。一 i 九1 ) 表示外加阴极极化后金属上 腐蚀微电池作用的减小值，即腐 蚀电流的减小值，称为保护效应。 当外加阴极电流继续增大 时，金属体系的电位变得更负。 图1 7 阴极保护原理示意图 当金属的总电位达到微电池阳极的起始电位e o a 时，金属上阳极电流为零，全 部电流为外加阴极电流i c 外，这时，金属表面上只发生阴极还原反应而金属溶 解反应停止了，因此金属得到完全的保护。这时金属的电位称为最小保护电位。 金属达到最小保护电位所需要的外加电流密度称为最小保护电流密度。 由此我们可得出这样的结论：要使金属得到完全保护，必须把它阴极极化到 其腐蚀微电池阳极的平衡电位。 实际上，为了达到满意的保护效果，选用的保护电位总要低于腐蚀微电池阳 极平衡电位。 1 5 2 阴极保护的基本参数 阴极保护中，判断金属是否达到完全保护，通常用测定保护电位的方法。而 为了达到必要的保护电位，则要通过控制保护电流密度来实现。 1 、最小保护电位 阴极保护时，使腐蚀过程停止时的电位，其数值等于腐蚀电池中阳极的最活 泼点的开路电位，这时的电位称为最小保护电位。常用这个参数来判断阴极保护 是否充分。但在实际上，未必一定达到完全保护。一般容许在保护后有一定程度 的腐蚀。 最小保护电位的数值与金属材料和环境介质条件有关。大多是通过实验确定 的。一般为： ( 1 ) 在通电情况下，测得钢质构筑物保护电位为一0 8 5 v ( 相对饱和c u c u s 0 。参比电极，下同) 或更负。 ( 2 ) 构筑物表面与参比电极之间的阴极极化电位差不得小于1 0 0 m y ，此标准 可用于极化的建立或衰减过程中。 ( 3 ) 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，通电后 保护电位应达n - 0 9 5 v 或更负。 ( 4 ) 埋设于干燥或充气的高电阻率( 大于5 0 0 q m ) 土壤中其极化电位值 至少应达到一0 7 5 v 。 阴极保护电位并不是越负越好。超过规定的范围，除浪费电能外还可引起析 氯，导致附近介质p h 升高破坏漆膜，使防腐覆盖层遭到破坏引起剥离，甚至引 起金属氢脆。最负保护电位主要以不损坏防腐覆盖层的粘结力为准，一般取 一1 5 v 。 2 、最小保护电流密度 其数值太小与金属材料种类、表面状态、介质条件等多种因素有关。最小保 护电流密度，随情况不同，可以从几十分之一毫安一到几百毫安f 。实验室 中通过极化曲线测定的数值与实际使用数值间也往往有较大的差异。实际上保护 电流密度只是个次要的保护参数主要检查阴极保护电位范围是否合格：而保护 电流密度值只要能保证实现阴极电位在保护电位范围以内就可以了。对于有防腐 覆盏层的金属管道，其最小保护电流密度值由经验值确定。涂层电阻率越高，所 需的最小保护电流密度值越小。 1 5 3 牺牲阳极阴极保护法 牺牲阳极式阴极保护的原理，即采用一种比被保护金属电极电位更负的可以 提供阴极保护电流的金属材料或合金与被保护金属连接起来，便可以起到充当牺 牲阳极的作用，使被保护体极化，以降低腐蚀速率。 由于牺牲阳极的电位较钢质管道( 被保护金属体) 的电位低，两者之间存在 电位差，所以有电流从牺牲阳极流出，即通过电解质向被保护金属体提供一个阴 极电流，经连接电缆达到管道，再经土壤流回牺牲阳极。管道为阴极，被阴极极 化，得到了保护。随着电流的不断流动，阳极材料不断被腐蚀消耗。其中填包料 是为了改善阳极的工作环境，降低牺牲阳极的接地电阻，增加阳极的输出电流， 1 2 使阳极产物易于溶解 牺牲阳极保护法不需外部电源，电流分布均匀，不需管理，对邻近构筑物干 扰小；但保护范围小，保护电流不可调，投产调试工作复杂。 1 5 4 外加电流阴极保护法 ( 1 ) 外加( 强制) 电流阴极保护法的原理及优缺点 将被保护金属体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 提供给被保护金属体，被保护金属体为阴极，表面只发生还原反应，不发生金属 离子化的氧化反应，腐蚀受到抑制。外部电源多采用恒电位仪，辅助阳极为高硅 铸铁阳极。电流自外加电源( 恒电位仪) 流出，经阳极电缆达到辅助阳极表面， 再经土壤达到管道表面，从汇流点流出，最后经阴极电缆回到外加电源。管道为 阴极，得到了保护。其中参比电极是为了测试管道的保护电位，通过调节电源的 输出电压，确保管道得到充分的保护。 外加电流阴极保护从本世纪3 0 年代以来在工业上获得了普遍应用。它运用 范围广效果良好，所以广泛应用于土壤及海泥中，用于防止地下管线及电缆等 的腐蚀。外加电流法驱动电压高，输出电流大且连续可调，保护范围大，因此 对旧管道或防腐覆盖层质量较差的管道也能进行保护，特别适合于长距离大口径 油气管道的防腐蚀。在腐蚀条件恶劣或高电阻率环境中也能适用。若采用可靠的 不溶性阳极，其使用寿命较长：但需外部电源，对邻近的地下构筑物有干扰，需 定期维护管理且维护技术较牺牲阳极复杂。 ( 2 ) 外加电流法阴极保护系统的组成 外加电流法阴极保护系统，主要由直流电源、辅助阳极和参比电极等几部分 组成。直流电源通常用大功率的恒电位仪，可根据外界条件的变化，自动调节输 出电流，使被保护体的电位始终控制在保护电位范围内。 外加电流法的辅助阳极是用来把电流输送到阴极( 即被保护的金属) 上，这 与牺牲阳极法所用的阳极材料截然不同。外加电流法的辅助阳极材料应具有导电 性好，耐蚀性好，寿命长排流量大，即一定电压下单位面积通过的电流大，而阳 极极化小；有定的机械强度，易于加工；来源方便，价格便宜等特点。常用的 辅助阳极材料有：钢、石墨、高硅铁、磁性氧化铁等。这些阳极板除钢外，都是 耐蚀的，可供长期使用。 参比电极用来与恒电位仪配合，测试和控制管道的保护电位，通过调节电源 的输出电压，确保管道得到充分的保护。因此要求参比电极可逆性好，不易极化， 长期使用中保持电位稳定、准确、灵敏，坚固耐用等。常用的参比电极有c u c u s 0 4 电极，a g a g c l 电极等。 1 5 5 阴极保护的应用基本条件 不是任何金属结构或设备都可以使用阴极保护的，必须符合一定的条件。 ( 1 ) 材料 被保护的金属材料在所处的介质中容易发生阴极极化，即只要通以较小的阴 极电流就可以使其电位较大地负移，否则进行阴极保护时耗电量太大。常用的金 属材料如碳钢、铅、铜及其合金等都可采用阴极保护。处于钝态的金属，如果外 加阴极极化可能使其活化而加速腐蚀，因而不宣用阴极保护。 ( 2 ) 介质条件 被保护的金属必须处在电解质溶液中才能受到阴极保护，同时电解质溶液的 量要大，以建立连续的电路，保护电流才可通过电解液层均匀分布到金属表面各 部分使之得到保护。 般适用介质有土壤、中性盐溶液、河水、海水、碱、弱酸溶液。对腐蚀性 强的电解质因所需保护电流很大，消耗电能大，不宜采用阴极保护；在大气、气 体介质及其他不导电的介质中不能应用阴极保护。 ( 3 ) 结构 被保护设备的结构形状一般不宜太复杂，结构复杂的设备在靠近阳极部位电 流密度大，远离阳极部位电流密度小，得不到足够的保护电流，甚至不起保护作 用。 第六节阴极保护用直流电源 外加电流阴极保护系统主要由电源设备、辅助阳极及阳极线路、阴极通电点 及参比电极等装置组成。其中，阴极保护用直流电源是关系到阴极保护系统能否 正常运行的核心装置。所以，研究阴极保护用直流电源，提高直流电源的工作性 能对管道的阴极防腐有很重要的现实意义。 1 6 1 设备对交流电源的要求 能长期不间断供电，优先使用市电或使用稳定可靠的交流电源。当采用农用 4 电时，必须装有备用电源或不间断供电专门设备a i 5 2 无电地区常用电源介绍 对边远无电地区可供选用的电源有： 。( 1 ) 无人管理的密闭循环发电机组( c c v t ) ：是一种无人值守完全自动控制 发电机组。 输出功率范围在2 0 0 - - 5 0 0 0 w 之f b - ，最早于1 9 5 8 年由以色列国家物理实验室研 制，目前已有5 0 0 0 多台在全世界5 5 个国家使用，主要应用领域为无电边远地区 的电信和阴极保护电源。国内曾在设计中选用过c c v t 。它是很有竞争力的第二 电源。 ( 2 ) 太阳能电池 太阳能电池开始是作为人造卫星的特殊电源发展起来的，由于它不需燃料、 无污染、自动供电、无人管理、安全可靠、寿命长等特点，随着它的价格下降而 迅速进入地面应用。 目前世界已建成的太阳能阴极保护站有上千座，是油气管道阴极保护装置的 一种廉价电源。 ( 3 ) 热电发生器 热电发生器是利用油、气管道本身输送的介质来发电。因此，仅适用于阴极 保护所需功率较小的无电区或经常停电的地区。 热电发生器可以用丙烷、丁烷、天然气或柴油作燃料，它的特点是：高可 靠性；维护要求低，可以说不要求有专人维护；噪音低，污染小；寿命长，年度 保养费用低；燃料来源广泛。 ( 4 ) 风力发电机 风能是一种随机性很强的能源，由于风力的大小、方向不断变化，引起风轮 机转速不断变化，发电机输出的电压及频率都不稳定，因此需增加整流调频等系 统来稳定输出，并备有蓄电池组，在风力不足时供电。 ( 5 ) 高容量蓄电池 1 6 3 对直流电源设备的要求 必须按电阻性负载和能连续工作的要求设计，要保证直流电源能长期连续供 电。经过工艺计算，直流输出电流及输出电压都已确定，直流电源的功率也就定 型了由于管线的防腐覆盖层随着时间的推移将逐渐老化，防腐绝缘性能将逐渐 1 5 下降，达到保护标准所需要的输出电流和电压都要逐渐上升，所以在设各选型时 应留有充分的余量，设计规范要求直流电源设备功率应留有5 0 的余量。 另外，直流电源应可靠性高，寿命长，对环境适应性强，输出电流、电压可 调，应具有过载，防雷及故障保护装置。 1 6 4 常用的直流电源设备 为了使接地体发出的电流，经土壤送到被保护的管路上去，必须在阴极和阳 极间，连接个有足够电压和电流的直流电源，来构成一个闭合电路。同时，还 需要有调节电压的可能。 ( 1 ) 整流器设备 早期的电源设备有电动机一发电机组和变压器一整流器电源。运用普通交流 电源的变压器整流器，因其没有旋转和滑动接触部分，所以可靠性比电动机一 发电机组要高。有许多不同容量的变压器整流器可供选用。 整流器以桥式全波整流为好，纹波系数单相不大于5 ，三相不大于8 ，升温 不得超过8 5 。 将市电变成直流电的硅整流器简单可靠，对环境适应性强，一般能长期连续 运行，且价格便宜：但缺点是精度较低，管地电位漂移大，需要管理人员经常调 节通电点电位。 ( 2 ) 恒电位仪 近几年来随着恒电位仪技术的发展，恒电位仪的应用也较普遍了。当管地电 位或回路电阻有经常性较大变化时，应使用恒电位仪。 恒电位仪的要求： 恒电位仪可以在无人值守的条件下自动调节输出电流和电压，其技术特性指 标应达到如下要求：给定电位连续可调：一0 5 一2 o v ；电位控制精度不大于 士2 0 m v ；输入阻抗不小于l m n ；绝缘电阻不小于1 0 0m n ( 电源进线对地) ；抗交 流干扰能力不小于1 2 v ：耐电压不小于7 5 0 v ( 电源线对机壳) 负载纹波系数： 单相不大予5 ，三相不大于8 ；印刷电路板要采取防潮、防盐雾、防细菌的措旖。 几种常用恒电位仪： h d v d 系列恒电位仪：高效率；可使用任何类型直流电源( 太阳能、风能 等) ；控制电位范围为一5 0 0m v 一2 0 0 0m v ；恒电位精度小于1