牺牲阳性再变电站接地网中的研究

1、 毕业设计（论文）题 目 牺牲阳极在变电站 接地网中应用研究 专 业 材料成型与控制专业 班 级 成型094 学 生 指导教师 2013 年摘要牺牲阳极在变电站接地网中应用研究iiiabstract学 科： 材料成型及控制工程作 者： 訾 阳 （签名） （签名） 指导教师： 雷阿利摘 要牺牲阳极因较活泼，在电解质液中优先溶解，释放出的电子则通过导线传输被保护金属表面。而电位相对较正的被保护金属则同时发生了阴极极化，使金属电位负移至某保护电位，抑制了被保护金属表面的阳极过程，使金属受到了防腐保护。本论文旨在研究镁合金牺牲阳极对接地网扁钢的保护半径。通过实验室试验，在一定土壤环境下，扁钢样品的一端

2、连接镁合金并运行一定时间后，测量扁钢样品长度方向上不同点的工作电位。根据阴极保护最小保护电位-0.85V这一要求，计算出阴极保护的半径，并结合一定的参数条件，通过数学方法推导出镁合金牺牲阳极的保护半径计算公式。分析扁钢的工作电位随着不同Mg-Fe距离、不同镁合金数量的变化规律。结果表明：（1） 连接镁合金后，扁钢的整体电位都下降，越靠近镁合金接入点的电位越负；（2） 现场使用镁合金牺牲阳极做阴极保护时，需外加填料包，可稳定镁合金的输出电流，并使得保护半径更大更稳定；（3） 在镁合金牺牲阳极初始运行阶段，保护半径与时间关系符合渐进分布数学模型；（4） 在相同条件下，镁合金数量越多或表面积越大，其

3、保护半径越大；（5） 镁合金牺牲阳极对扁钢的保护半径随着镁合金与扁钢的距离的减小而相应增大；（6） 牺牲阳极阴极保护系统中，阴极面积越大，阳极的保护半径越小，反之亦然；（7） 根据相关阴极保护标准，结合实验室试验，得出牺牲阳极保护半径的数学计算公式：关键词：镁合金，牺牲阳极，电位，保护半径The application research of sacrificial anode in the substation ground networkSpecialty: Forming and Controling of MaterialsUndergaduate: yang zi(Signature

4、): (Signature): Supervisor : Ali LeiAbstractSacrificial anode was more lively, give priority to dissolve in the electrolyte solution.Release electrons transfer through the wire to protect the metal surface.While potential is relatively protected metal happened cathode polarization at the same time,t

5、he negative potential moved to the metal in a protection potential,Dampened by the anodic process of metal surface protection, to make the metal corrosion protection. This paper aims to study the radius of the magnesium alloy sacrificial anode protect the flat steel of grounding systems. Through lab

6、oratory test,under certain soil environment, magnesium alloy are connected at the flat steel sample,s end and run after certain time, measuring potential of the differences work at flat steel sample length direction. Based on the minimum protection potential of cathodic protection is - 0.85 V, to ca

7、lculate the radius of the cathodic protection. Combined with the certain parameter conditions, by mathematical methods to deduce the calculation formula of protection radius in magnesium alloy sacrificial anode. Analysis with the change rule of work potentials, that are the flat steel at different d

8、istance of Mg -Fe and different quantity of magnesium alloys. The results show that: (1)After connecting magnesium alloy，the flat steel drop in overall potential,and the potentials of closer to the access point of magnesium alloys was more negative.(2) When we use the magnesium alloy sacrificial ano

9、de for cathodic protection,we need plus packing bags.They can stable output current of magnesium alloys,and the protection radius more larger, more stable.(3) In initial operation stage,the protection radius of magnesium alloy sacrificial anode and time relation accord with mathematical model in gra

10、dual distribution.(4) Magnesium alloy in the same situation, the more quantity or the greater the surface area,the protection radius was greater.(5) With the distance of magnesium alloy sacrificial anode and the flat steel decreasing,the protection radius are increasing accordingly.(6) At cathodic p

11、rotection system of sacrificial anode, the greater the area of cathode, the anode protection radius is smaller, and vice versa.(7) According to the associated standard of cathodic protection ,and combined with laboratory tests,mathematical calculation formula of protection radius are obtained:.Keywo

12、rds：Magnesium alloy，Sacrifice anode, potential, radius of protectionError! Document Variable not defined.2013届材料成型与控制专业毕业设计（论文）目录摘要Abstract第一章 前言11.1 引言11.2 常用的牺牲阳极材料11.3 牺牲阳极的选择31.4 牺牲阳极的保护机理41.4.1 金属材料的电化学腐蚀机理41.4.2牺牲阳极保护法的机理61.5 保护电位71.5.1 保护电位的主要参数71.5.2 保护电位准则81.5.3 电位和电流分布规律91.6 接地网牺牲阳极阴极保护半径9

13、1.7 本课题研究目的和意义及研究内容10第二章.实验方案及步骤112.1 实验材料112.2 实验方法112.3 实验装置12第三章 实验数据及分析133.1 土壤含水量25%时镁合金牺牲阳极保护电位及保护半径数据133.1.1 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.1m时的保护电位133.1.2 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.2m时的保护电位153.1.3 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.3m时的保护电位163.1.4 土壤含水量25%时镁合金牺牲阳极保护半径183.2 土壤含水量25%并外加填料包时镁合金牺牲阳极阴极保护电位及保护半径数据193.2.1 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.1m时的保护电

14、位193.2.2 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.2m时的保护电位213.2.3 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.3m时的保护电位233.2.4 土壤含水量25%并外加填料包时镁合金牺牲阳极保护半径253.3 数据分析263.3.1 镁合金运行环境分析263.3.2 镁合金保护半径的函数关系研究273.3.3 镁合金与扁钢距离对保护半径的影响303.3.4 镁合金表面积与保护半径的关系313.3.5 镁合金牺牲阳极保护电位与阴极面积的关系323.4 保护长度的理论计算33第四章 结论35致 谢36参考文献37I第一章 前言第一章 前言1.1 引言 变电站接地网是用于工作接地、防雷接地、保护接地的必

15、备设施，是确保人身、设备、系统安全的重要环节，它在防雷电、静电和故障电流起着泄流和均压的作用1。变电站接地网腐蚀引起的事故时有发生。腐蚀有可能造成接地导线截面积减小，甚至断裂，直接关系到电网的安全运行，是造成大面积停电的事故原因之一2。国家电网公司十分重视变电站接地网的设计、施工和和运行维护工作。为此，在2005年发布的国家电网公司十八项重大反事故措施中第12章“防止接地网和过电压事故”明确提出了要求。要求“结合短路容量变化和接地装置的腐蚀程度有针对性地对接地装置进行改造”,并“定期通过开挖等手段确定接地网的腐蚀情况。如发现接地网腐蚀较为严重，应及时进行处理。”等。随着电力系统容量的不断增加，

16、流经地网的入地短路电流也愈来愈大。当事故出现时, 如果接地网因腐蚀而造成接地性能不良，不能承受雷电冲击或短路事故形成的电流，短路电流无法在土壤中充分扩散，导致接地网电位升高, 使接地设备的金属外壳带高电压而危及人身安全和击穿二次绝缘保护装置，甚至损坏设备，扩大事故，破坏电网系统稳定。电网的安全稳定, 使接地网防腐成为必需解决的重要问题。接地网的腐蚀与防护方法很多，牺牲阳极的阴极保护法是其中最主要的方法之一，且应用广泛。牺牲阳极法是积极的保护以阴极形式存在的地网，使被保护接地网的任意点的对地电位在-0.851.25V（相对于铜饱和硫酸铜参比电极）之间3。牺牲阳极保护接地网，是在将要保护的接地体上

17、敷设比该接地体活泼的金属作为阳极（原电池阴极），使被敷设上的金属受到腐蚀，而接地体本身得到保护。1.2 常用的牺牲阳极材料 目前较常用的牺牲阳极材料有镁基、锌基和铝基合金阳极。（1）镁合金牺牲阳极镁不容易钝化，并且镁的激励电压最高，由于这些特性以及他的高电流容量，镁特别适合作为牺牲阳极使用，镁的标准电极电位为-2.37V（EH），在海水中的稳定电位为-1.45 V(EH)4，镁基牺牲阳极电位较负，阳极输出电流大，发送距离远，阳极极化率低 ,溶解均匀，保护效果可靠。现在普遍使用的镁合金牺牲阳极有三类：纯镁，Mg-Mn系合金和Mg-AI-Zn-Mn系合金，它们的共同特点是电位比较负、极化率也很低、

18、密度小、理论电容量大，与铁的有效电位差很大，保护半径大5。但不足之处是镁的自腐蚀较严重，并随介质中含盐量的增加而增加6，因此，纯镁实际有效电流容量较理论电流容量小得多。镁阳极的电流效率也不高，通常只有55%左右，比锌基合金和铝基合金牺牲阳极的电流效率要低得多，而且表面难以形成有效的护膜，在水介质中自腐蚀反应剧烈。因此，大多数研究表明，镁阳极适用于电阻较高的土壤中和淡水。（2） 铝合金牺牲阳极 铝合金密度小，理论电容量大，对钢铁的驱动电位较大，在含Cl-的环境中电位能保持在-0.95-1.10V（SCE）之间7，已经广泛应用于水库钢铁阀门，海上石油钻井平台以及远洋货轮的钢制外壳等各个领域，但由于

19、纯铝表面极易生成致密的钝化膜，使铝的电位正移，通常添加In、Sn、Si、Gd、Ti等合金元素来增大钝化膜的缺陷，促使铝不断溶解。单独添加很少量这些元素就可以使铝的电位变负0.30.9V，但电流效率过低，并且会随时间延长而下降，最常用的是添加两种或两种以上活化元素使之形成多元铝合金，既能满足电位要求又能显著增大电流效率。因此一般按其材料可分为可分为五种，包括铝-锌-铟-镉合金牺牲阳极、铝-锌-铟-锡合金牺牲阳极、铝-锌-铟-硅合金牺牲阳极、铝-锌-铟-锡-镁合金牺牲阳极、铝-锌-铟-镁-钛合金牺牲阳极8。这五种合金主要用于海水介质中的船舶、港工与海洋工程设施、海水冷却水系统和储罐沉积水部位等工业

20、领域。（3）锌合金牺牲阳极锌合金阳极的特点是：密度大、理论发生电量较小，电流效率高，表面溶解均匀，腐蚀产物疏松，容易脱落，在保护钢结构物时，有一定自调节电流和电位的作用。最初，所使用的锌材料来自于热浸镀锌工艺中的锌，超纯锌是一种非常良好的阳极材料9，纯度高达99.995%，含铁量少于0.0014%，没有其他添加物，德国海军部已经批准使用这种阳极材料10，但是由于其晶粒粗大并有柱状晶体结构，往往呈现不均匀剥离，为了细化晶粒，合金中通常加入镉和铝，还对杂质元素起到了抑制作用，因此一般主要用的是锌-铝-镉合金牺牲阳极，适于温度低于50和电阻率小于15·m的海水、淡海水、土壤等电解质中的金属

21、构件阴极保护。1.3 牺牲阳极的选择 在防腐蚀过程中通常根据土壤电阻率选择牺牲阳极的种类再根据保护电流的大小选择阳极的规格。表1-1为土壤中选择牺牲阳极的原则其中镁阳极具有较高的化学活性电位负，输出电流较大，腐蚀较快。因此镁阳极常适用于电阻率较高的土壤。锌阳极可能产生极性逆转。当温度高于60时由于锌阳极表面氧化其电位要比锌本身电位正得多这样锌阳极将变为阴极而受到保护。而铁成为阳极而加速腐蚀。因此锌阳极常适用于电阻率较高的土壤铝阳极的标准电位电极比锌负很多，从理论上讲铝是一种很好的牺牲阳极材料但是铝在土壤中极易钝化在表面上形成一层保护性能很好的氧化膜Al(OH)3膜的电位很正。阻碍电流产生，故铝

22、阳极不能用于土壤中。表1-1 牺牲阳极种类的应用选择可选阳极种类土壤电阻率（·m）带状镁阳极>100镁（-1.7V）60-100镁40-60镁（-1.5V）<40镁（-1.5V），锌<15锌或Al-Zn-In-Si<5(含Cl-)国外一般不主张在土壤中应用铝阳极。国内也很少成功。有一些环境如低电阻率、潮湿和含氯化物的海岸滩涂使用铝阳极可能还有可取之处。牺牲阳极形状的选择根据保护对象、环境而变化。牺牲阳极的使用受其电化学性能的限制，阳极材料的静电位必须比受保护物体的保护电位负得多，这样才能维持足够的激励电压。作为牺牲阳极材料，应该具备下列条件11：（1） 阳极的

23、电位要负，即它与被保护金属之间的有效电位差要大；电位比铁负而合适做牺牲阳极的材料有锌基、铝基和镁基三大类合金。（2） 在使用过程中电位要稳定，阳极极化要小，表面不产生高电阻的硬壳，溶解均匀。（3）单位重量阳极产生的电量大，即产生1A时电量损失的阳极重量要小。三种阳极的材料的理论消耗量为：镁为0.453g/Ah，铝为0.335g/Ah，锌为1.225g/Ah。（4）阳极的自溶量小，电流效率高。由于阳极本身的局部腐蚀，产生的电流并不能全部用于保护作用。有效电量在理论发生电量中所占的百分数成为电流效率。（5）价格低廉，来源充分，无公害，加工方便12。1.4 牺牲阳极的保护机理1.4.1 金属材料的电

24、化学腐蚀机理金属材料与电解质溶液相互接触时，在界面上将产生有自由电子参加的氧化和还原反应，导致接触界面的金属原子变为离子或者络合离子而溶解，或者生成氢氧化物、氧化物等稳定化合物，从而破坏了金属材料的特性，这个过程被称为电化学腐蚀。（1）腐蚀原电池腐蚀原电池实质上是一个短路原电池，即电子回路短接，电流不对外做功，而自耗于腐蚀电池内阴极的还原反应中。如图1-1所示，将锌与铜接触并置于盐酸的水溶液中，就构成一个以锌为阳极，铜为阴极的原电池。阳极锌失去电子，而阴极铜得到电子，并在阴极表面的溶液中与氢离子结合生成氢气而逸出。这样以来，锌不断地失去电子变成锌离子，而溶液中的氢离子不断地得到电子变成氢气，只

25、要溶液中有足够的氢离子,阳极锌就会不断被溶解消耗。 HCl 图1-1腐蚀原电池（2）腐蚀原电池工作的基本过程a、阳极过程：金属溶解，以离子形式迁移到溶液中同时把当量电子留在金属上。b、电流通路：电流在阳极和阴极间的流动是通过电子导体和离子导体来实现的，电子通过电子导体(金属)从阳极迁移到阴极，溶液中的阳离子从阳极区移向阴极区，阴离子从阴极区向阳极区移动。c、阴极过程：从阳极迁移过来的电子被电解质溶液中能吸收电子的物质接受。由此可见，腐蚀原电池工作过程是阳极和阴极两个过程是独立而又相互依存的。电化学腐蚀过程中，由于阳极区附近金属离子的浓度高，阴极区H+离子放电或水中氧的还原反应，使溶液pH值升高

26、。于是在电解质溶液中出现了金属离子浓度和pH值不同的区域。从阳极区扩散过程来的金属离子和从阴极区迁移来的氢氧根离子相遇形成氢氧化物沉淀产物，称这种产物为次生产物，形成次生产物的过程为次生反应。1.4.2牺牲阳极保护法的机理牺牲阳极阴极保护的基本作用过程是：当一电位较负的金属与被保护金属结构物连接时，两者构成宏观的腐蚀原电池；其中电位较正的金属结构物作为宏观腐蚀原电池的阴极，而电位较负的金属作为阳极13。当连接良好时，前者将受到保护，后者会加速腐蚀。牺牲阳极的原理可用图1-2所示的金属保护示意图解释。防蚀电流接线盒金 属牺牲阳极介质图1-2 牺牲阳极阴极保护示意图如图1-2中，埋设于土壤或海水中

27、的金属采用牺牲阳极进行保护，整个电流系统中金属作为腐蚀电池的阴极被牺牲阳极阳极极化所产生的防蚀电流保护，通过接线盒可以测得电路中的极化电流。埋设在土壤中的接地网的牺牲阳极保护原理与上图相同，当接地网没有被保护时，接地网材料扁钢发生电化学腐蚀，阳极反应和阴极反应分别是：和或；当采取保护措施时，由于镁牺牲阳极的电化学性质活泼，易发生氧化反应，产生阳极极化；接地网的电极电位较高，作为电池的阴极发生还原反应被保护。此时，阳极反应和阴极反应分别为：和。1.5 保护电位阴极保护电位是当被保护金属表面的电位被阴极极化到所有微阳极中最负的电位值或再稍负一些时，金属表面即可达到同等电位，腐蚀微电池作用被迫停止，

28、金属腐蚀亦被抑制时的电位14。1.5.1 保护电位的主要参数(1) 自然电位 自然电位是金属埋入土壤后，在无外部电流影响时的对地电位。自然电位随着金属结构的材质、表面状况和土质状况，含水量等因素不同而异，一般有涂层埋地管道的自然电位在-0.40.7V(CSE)之间，在雨季土壤湿润时，自然电位会偏负，一般取平均值-0.55V。(2) 最小保护电位就是被保护金属开始获得完全阴极保护的起始电位15。一般认为，金属在电解质溶液中，极化电位达到阳极区的开路电位时，就达到了完全保护。(3) 最大保护电位如前所述，保护电位不是愈低愈好，是有限度的，过低的保护电位会造成管道防腐层漏点处大量析出氢气，造成涂层与

29、管道脱离，即阴极剥离，不仅使防腐层失效，而且电能大量消耗，还可导致金属材料产生氢脆进而发生氢脆断裂，所以必须将电位控制在比析氢电位稍高的电位值，此电位称为最大保护电位，超过最大保护电位时称为“过保护”。(4) 最小保护电流密度使金属腐蚀下降到最低程度或停止时所需要的保护电流密度，称作最小保护电流密度，其常用单位为mA/。处于土壤中的裸露金属，最小保护电流密度一般取10mA/。(5) 瞬时断电电位 在断掉被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.20.5S中之内读取的结构对地电位称为瞬时断电电位。由于此时没有外加电流从介质中流向被保护结构，所以所测电位为结构的实际极化电位，不含IR降（介质中的电压降）。

30、由于在断开被保护结构阴极保护系统时，结构对地电位受电感影响，会有一个正向脉冲，所以应选取0.20.5S之内读数。1.5.2 保护电位准则 为了便于实际应用，通过多年的实践与研究，得出了以下判断结构是否得到充分保护的判断准则。1、NACERPO169建议“在通电的情况下，埋地钢铁结构最小保护电位为-0.85V(CSE)或更负，在有硫酸盐还原菌存在的情况下，最小保护电位为-0.95V(CSE)，该电位不含土壤中电压降（IR降）”。实际测量时，应根据瞬时断电电位进行判断。目前流行的通电电位测量方法简便易行，但对测量中IR降的含量没有给予足够重视。其后果是很多认为阴极保护良好的管道发生腐蚀穿孔。这方面

31、的教训是很多的。如：四川气田南干线，认为阴极保护良好，但是实际内检测发现腐蚀深度在壁厚的1019的点多达410处；个别位置的点蚀深度达到50。进行断电电位测量发现，很多点保护（断电电位）没有达到-0.85V(CSE)。有效的方法是实际测量几点的IR降，保护电位按0.85+IR降来确定。IR降可以通过通电电位减去瞬时断电电位获得，也可以用瞬时通电电位减去结构自然电位来获得。2、瞬时断电电位与自然电位之差不得小于100mA在有些情况下，在断电电源0.20.5S内测量断电电位，待结构去极化后（24或48小时后）再测量结构电位（自然电位），其差值应不小于100mA。也可以用通电电位（极化后）减去瞬时通

32、电电位来计算极化电位。3、最大保护电位的限制应根据覆盖层及环境确定，以不损坏覆盖层的粘结力为准，一般瞬时断电电位不得低于-1.10V(CSE)。由于受旧规矩的影响，很多人还认为阴极保护最大电位不能低于-1.5V(CSE)。事实上这种观念是错误的，造成的危害也是巨大的。判断阴极保护电位是否过大应以断电电位为判断基础，只要断电电位不低于-101V(CSE)（西欧为-1.15VCSE），通电电位再大也没有关系。1.5.3 电位和电流分布规律受阴极保护的金属表面的电位只有在一定的数值范围以内才能使结构物受到有效的保护。电位过正（“欠保护16”）和电位过负（“过保护17”）都是应该避免的。注意的是，在实

33、际工程的阴极保护系统中，金属结构物表面的电位以及相应的电流密度并不是到处一样的，即电位和电流分布常常不均匀的。比如在对金属构筑物实施阴极保护采取相隔一定距离分立布置的辅助阳极，这时靠近阳极的部位保护电位最负，两侧的电位随着距离按指数规律衰减，结果两个相邻阳极中间的电位最正。这是因为，按照欧姆定律，阴极保护电流流动总是优先通过电阻小的途径。于是，受保护结构在靠近阳极的部位将有较大的保护电流流入，引起较大的阴极极化，因而达到较负的保护电流，与此同时，在远离阳极的部位由于流入的保护电流较小，保护电位就达不到那样负的数值。结果就造成了电位分布不均匀。有多种因素会影响到电位分布，包括：阳极的形状、数量和

34、布置，受保护结构的表面涂层，介质电阻率以及计划时间等。 了解保护电位的分布情况对于阴极保护系统的日常维护和管理具有重要的意义。测量电位分布是评价阴极保护效果的依据。但是由于电化学电位和电流分布问题特殊的非线性边界条件和电化学系统常有的复杂形状，通常很难求出电位和电流分布问题的解析解。计算机的加速普及和广泛应用使得有可能在不过分简化边界条件的情况下用数值方法求解电位和电流分布问题。以电位和电流分布计算为基础，通过各种方案的比较可以在阳极种类、尺寸、数量、布置等方面优化设计，使阴极保护达到经济、有效的目标。1.6 接地网牺牲阳极阴极保护半径牺牲阳极保护法因其不需要外加电源、不会干扰邻近金属设施、电

35、流分散能力好、易于管理和维护等优点，而得到了广泛的应用。但是如何确定最佳的保护长度，进一步提高牺牲阳极的利用率还没有统一的认识。阴极保护最重要的工作是保护电位的控制，必须保证接地金属材料的电位处于合理的范围内，过高或过低地都会产生不利的影响。碳钢在土壤及海水中的自然电位为0.500.60V(相对于铜饱和硫酸铜电极,下同)，通人阴极保护电流后，其电位将负移。根据试验测定，碳钢的最小保护电位为0.85V，高于此电位，不能有效阻止腐蚀的发生；但若电位负移太多、超过最大保护电位时，可能会减弱甚至破坏防腐蚀层的粘结力，即发生“过保护”。最大保护电位的确定对金属阴极保护有重要的影响。实施阴极保护时，牺牲阳

36、极或恒电位仪阴极导线直接焊接到接地材料上，焊点附近金属的电位最负。随着与焊点距离的增加，金属电位逐渐攀升，最远端电位最正。电位攀升速度取决于防腐蚀层的绝缘性能，正常的阴极保护必须保证最远端的金属电位负于0.85V。最大保护距离Lmax计算公式如下：Lmax=(Rr)1/2×ln2×(E0Ecorr)(0.85Ecorr)式中，R防腐蚀层电阻，r钢管电阻， E0最大保护电位，Ecorr钢管自然电位。由上式可知：在其他参数不变的情况下，最大保护电位越负，则每组阳极的保护距离就越长。如果每组阳极保护距离太短，使其性能没有得到充分利用，造成无谓的浪费。要提高阴极保护系统的经济性能，

37、应针合理确定最大保护电位。充分利用阳极的潜能，达到最大保护距离。1.7 本课题研究目的和意义及研究内容如何选用合适的镁合金对接地网材料进行有效的防护，既不造成镁合金的成本浪费，同时又能很好的达到对接地材料的保护效果。目前，对于这一问题的研究较少，甚至没有相关的数据支持。本课题旨在研究镁合金对接地材料的保护半径，从而确定在一定的土壤环境下，选定合理的镁合金牺牲阳极的体积、质量以及安装方式，以期达到对接地材料的高效保护。37第二章.实验方案及步骤2.1 实验材料试验中所用的镁合金材料及设备如表2-1、2-2所示。表2-1 试验用材料及设备材料及设备规格或型号数量Mg-Y合金13×100m

38、m18碳钢60×8×1000mm3万用表F289C1硫酸铜电极便携式1导线1.5mm2若干表2-2 镁合金配方合金元素AlZnMnYMg含量6.19%3.35%0.31%0.15%90%2.2 实验方法考虑接地网的实际运行环境，试验选取含水量分别为25%条件下的土壤中进行镁合金牺牲阳极的保护范围评价实验。具体的实验操作过程如下：（1）为减小表面状态对试验结果的影响，首先进行扁钢表面处理，处理方法采用打磨或喷砂。如下图1所示，在扁钢上以10cm为间隔连接10根引出导线，接头处采用环氧树脂绝缘包覆处理。将镁合金用导线连于扁钢一端，分别埋入含水量为25%的土壤中，埋设时注意土壤密

39、实度保持均匀。（2）改变镁合金的连接数量，分别为0、2、4、6支，在同一变镁合金与扁钢的距离条件下，每隔一段时间（25h左右），用万用表和硫酸铜电极测出分别连接0、2、4、6支镁合金时，扁钢不同位置（间隔为10cm）的电位值。（3）改变镁合金与扁钢距离，分别为0.1m、0.2m、0.3m，按照（2）中方法进行电位测量。（4）根据以上电位变化，绘制曲线。备注：硫酸铜电极放置于扁钢正上方土壤中，深度2-3cm,加淡水保证导通，距离扁钢距离控制在5cm以内，忽略IR降的影响。2.3 实验装置图2-1 镁合金牺牲阳极保护试验装置示意图第三章 实验数据及分析第三章 实验数据及分析3.1 土壤含水量25%

40、时镁合金牺牲阳极保护电位及保护半径数据3.1.1 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.1m时的保护电位图3-1所示为镁合金与扁钢间距为0.1m时，埋地不同时间后，不同数量的阳极进行保护时，扁钢上不同测试点的工作电位值。从图3-1可以看到，随着扁钢上测试点与镁合金接入点的距离的增大，扁钢的工作电位逐渐正移，当距离为0.9m左右时，电位基本保持稳定，此时扁钢的电位趋近于开路自腐蚀电位。根据阴极保护标准要求，扁钢在土壤中进行阴极保护时的最小保护电位为-0.85V（SCE），可以看出在一定时间范围内，随着运行时间的延长，各个测试点的保护电位均负移。改变阳极数量，进行相同测试后发现，增加阳极数量后，相同保护时

41、间，相同测试点的保护电位出现小幅负移，说明增加阳极数量可以增大保护范围。 a 埋地25h的工作电位变化 b 埋地50h的工作电位变化 c 埋地75h的工作电位变化 d 埋地100h的工作电位变化 e 埋地125h的工作电位变化 f 埋地150h的工作电位变化 g 埋地175h的工作电位变化 h埋地200h的工作电位变化图3-1为镁合金与扁钢间距0.1m时埋地不同时间扁钢各点的工作电位(含水量25%)3.1.2 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.2m时的保护电位图3-2所示为镁合金与扁钢间距为0.2m时，埋地不同时间后，不同数量的阳极进行保护时，扁钢上不同测试点的工作电位值。从图3-2 可以看到，阳

42、极与扁钢之间距离为0.2m时的工作电位变化与间距0.1m时有着相同的趋势。随着阳极与扁钢上测试点距离的增大，扁钢的工作电位逐渐正移。对比观察图3-1，可以看到在相同测试点，相同阳极数时，阳极与扁钢距离增大后，保护电位正移，但是电位变化的趋势及变化速率并未改变。 a 埋地25h的工作电位变化 b 埋地50h的工作电位变化 c 埋地75h的工作电位变化 d 埋地100h的工作电位变化 e 埋地125h的工作电位变化 f 埋地150h的工作电位变化 g 埋地175h的工作电位变化 h 埋地200h的工作电位变化图3-2为镁合金与扁钢间距0.2m时埋地不同时间扁钢各点的工作电位(含水量25%)3.1.

43、3 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.3m时的保护电位如图3-3所示为镁合金与扁钢间距为0.3m时，埋地不同时间后，不同数量的阳极进行保护时，扁钢上不同测试点的工作电位值。与镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.1m和0.2m时的保护电位相比，本图所示电位均偏正，即保护效果相对较差。按照标准要求的最小保护电位-0.85V这一要求，本图所示测试点电位只有靠近镁合金接入点附近的2、3个点的电位达到保护电位。这说明镁合金与扁钢的距离有很大关系，随着Mg-Fe距离的增大，相同测试点的保护电位均正移，超过一定的距离时，镁合金对扁钢的保护达不到保护最小电位的要求，对扁钢的保护度为零。 a 埋地25h的工作电位变化 b

44、埋地50h的工作电位变化 c 埋地75h的工作电位变化 d埋地100h的工作电位变化 e 埋地125h的工作电位变化 f埋地150h的工作电位变化 g 埋地175h的工作电位变化 h埋地200h的工作电位变化 i 埋地250h的工作电位变化图3-3镁合金与扁钢间距为0.3m时埋地不同时间扁钢各点的工作电位(含水量25%)3.1.4 土壤含水量25%时镁合金牺牲阳极保护半径如图3-4所示为阳极与扁钢间距为0.1m时不同阳极数的保护长度。从图3-4中可以看出，随着阳极数量的增加，阳极所能达到的保护半径增大。在试验持续运行的时间内，随着时间的延长，保护半径呈现逐渐增大趋势，并在175h左右达到基本稳

45、定。如图3-5所示为阳极与扁钢间距为0.2m时不同阳极数的保护半径。从图3-5可以看到当阳极数量增加时，保护长度有所增大，并且在保护时间延长时，保护半径存在一定的波动，但整体呈现增大趋势。由图3-6可见，镁合金与扁钢间距为0.3m时，保护半径的变化趋势与Mg-Fe距为0.1m和0.2m时基本相同，在200h左右达到稳定值。 图3-4 Mg-Fe距离为0.1m时保护长度 图3-5 Mg-Fe距离为0.2m时保护长度 (含水量25%) (含水量25%) 图3-6 Mg-Fe距离为0.3m时保护长度(含水量25%)3.2 土壤含水量25%并外加填料包时镁合金牺牲阳极阴极保护电位及保护半径数据3.2.

46、1 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.1m时的保护电位如图3-7所示为镁合金与扁钢间距为0.1m时，埋地不同时间后，不同数量的阳极进行保护时，扁钢上不同测试点的工作电位值。从图3-7可以看到，随着扁钢上测试点与镁合金接入点的距离的增大，扁钢的工作电位逐渐正移。但是在实验条件下的测试最终点1.0m处，工作电位仍然有上升的趋势，且工作电位变化比较稳定。 a 埋地25h的工作电位变化 b 埋地50h的工作电位变化 c 埋地75h的工作电位变化 d 埋地100h的工作电位变化 e 埋地125h的工作电位变化 f 埋地150h的工作电位变化 g 埋地175h的工作电位变化 h 埋地200h的工作电位变化 图

47、3-7镁合金与扁钢间距为0.1m时埋地不同时间扁钢各点的工作电位(含水量25%+填料包）3.2.2 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.2m时的保护电位图3-8所示为镁合金与扁钢间距为0.2m时，埋地不同时间后，不同数量的阳极进行保护时，扁钢上不同测试点的工作电位值。从图3-8可以看到，随着扁钢上测试点与镁合金接入点的距离的增大，扁钢的工作电位逐渐正移。并在测试点0.9m左右处，工作电位基本保持稳定，但工作电位变化不太稳定，整体电位较图3-7中电位偏正。 a 埋地25h的工作电位变化 b 埋地50h的工作电位变化 c 埋地75h的工作电位变化 d 埋地100h的工作电位变化 e 埋地125h的工作电

48、位变化 f 埋地150h的工作电位变化 g 埋地175h的工作电位变化 h埋地200h的工作电位变化图3-8镁合金与扁钢间距为0.2m时埋地不同时间扁钢各点的工作电位(含水量25%+填料包)3.2.3 镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.3m时的保护电位如图3-9所示为镁合金与扁钢间距为0.3m时，埋地不同时间后，不同数量的阳极进行保护时，扁钢上不同测试点的工作电位值。与镁合金牺牲阳极与扁钢间距为0.1m和0.2m时的保护电位相比，本图所示电位均偏正，即保护效果相对较差。按照标准要求的最小保护电位-0.85V这一要求，本图所示测试点电位只有靠近镁合金接入点附近的35个点的电位达到保护电位。 a 埋地

49、25h的工作电位变化 b 埋地50h的工作电位变化 c 埋地75h的工作电位变化 d 埋地100h的工作电位变化 e埋地125h的工作电位变化 f埋地150h的工作电位变化 g 埋地175h的工作电位变化 h 埋地200h的工作电位变化图3-9为镁合金与扁钢间距0.3m时埋地不同时间扁钢各点的工作电位(含水量25%+填料包)3.2.4 土壤含水量25%并外加填料包时镁合金牺牲阳极保护半径如图3-10所示为阳极与扁钢间距为0.1m时不同阳极数的保护长度。从图3-4中可以看出，随着阳极数量的增加，阳极所能达到的保护半径增大。在试验持续运行的时间内，随着时间的延长，保护半径呈现逐渐增大趋势，并在15

50、0h左右达到基本稳定。如图3-11所示为阳极与扁钢间距为0.2m时不同阳极数的保护半径。从图3-5可以看到当阳极数量增加时，保护长度有所增大，并且在保护时间延长时，保护半径存在一定的波动，但整体呈现增大趋势。由图3-12可见，镁合金与扁钢间距为0.3m时，保护半径的变化趋势与Mg-Fe距为0.1m和0.2m时基本相同，在100h左右达到基本稳定值。 图3-10Mg-Fe距0.1m保护长度 图3-11Mg-Fe距0.2m保护长度 (含水量25%+填料包) (含水量25%+填料包) 图12 Mg-Fe距0.3m时保护长度(含水量25%+填料包)3.3 数据分析3.3.1 镁合金运行环境分析由图3-

51、13可以明显的看出，无论镁合金数量多少，镁合金在外裹填料包的运行环境下，保护半径均大于不加填料包时的半径，约为不加填料包时保护半径的1.32.9倍。而且保护半径能较快达到稳定水平。这是因为填包料可以使镁合金表面均匀溶解，可使得镁的氧化物很快脱落，不至于形成表面的氧化物硬壳，促进镁合金的作为阳极氧化而产生较多电子，提供给作为阴极的扁钢，从而对扁钢进行更好的阴极保护。所以在进行现场牺牲阳极阴极保护时需在镁合金外包裹填料包。 a.Mg-Fe距0.1m时保护半径 b. Mg-Fe距0.2m时保护半径 c .Mg-Fe距0.1m时保护半径； 图3-13为不同镁合金运行环境的保护半径对比图3.3.2 镁合

52、金保护半径的函数关系研究 表3-1 镁合金牺牲阳极变化半径与时间的函数关系所拟合数据名称函数拟合图函数关系2支Mg合金（Mg-Fe距0.1m）函数模型：渐进分布函数4支Mg合金（Mg-Fe距0.1m）函数模型：渐进分布函数6支Mg合金（Mg-Fe距0.1m）函数模型：渐进分布函数2支Mg合金（Mg-Fe距0.2m）函数模型：渐进分布函数4支Mg合金（Mg-Fe距0.2m）函数模型：渐进分布函数6支Mg合金（Mg-Fe距0.2m）函数模型：渐进分布函数2支Mg合金（Mg-Fe距0.3m）函数模型：渐进分布函数4支Mg合金（Mg-Fe距0.3m）函数模型：渐进分布函数6支Mg合金（Mg-Fe距0.3m）函数模型：渐进分布函数对Mg-Fe距为分别为0.1m、0.2m、0.3m时，且外加填料包的镁合金牺牲阳极的保护半径随时间的变化趋势进行函数拟合，如表3-1。由表3-1可以看出：在实验室试验条件及实验运行时间段内，镁合金牺牲阳极与运行时间的关系均符合渐进分布函数，随镁合金数量