辅助阳极在阴极保护系统中的作用及应用

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：在外加电流阴极保护系统中，阳极只是起辅助导电作用，因为电化学系统必然包括阳极和阴极两个共轭的部分，当被保护金属作为阴极时，必然有一个阳极与之相配。常用的阴极保护辅助阳极的性能见表4-5。如对碳铵生产中的碳化塔实施阴极保护，因辅助阳极处于钝化状态，使用1年后仍未发现腐蚀现象。目前碳钢阳极在地下管道、冷却水系统、闸门等阴极保护系统中应用较为普遍。

在外加电流阴极保护系统中，阳极只是起辅助导电作用，因为电化学系统必然包括阳极和阴极两个共轭的部分，当被保护金属作为阴极时，必然有一个阳极与之相配。阳极反应主要是失电子的氧化反应，如果用普通的铁、铜等金属作阳极，必然会发生金属的阳极溶解使阳极发生电解腐蚀，所以必须慎重选择阳极。

1）阳极材料必须具有良好的导电性能，排流量要大，要求阳极表面即使在高电流密度下使用时极化仍较小。如Ti在阳极极化后表面生成TiO₂膜，TiO₂膜既牢固又耐蚀，但电阻很大，阳极化很强烈，因此不能单独作为阳极材料。

2）在阳极电流的作用下耐腐蚀。

3）有较高的机械强度，加工性能好，安装容易。

4）价格低，材料易得。

阳极材料按阳极腐蚀量而言，可分为可溶性阳极（如钢）、难溶性阳极（如高硅铸铁、石墨及铅银合金等）和不溶性阳极（如铂、镀铂阳极、氧化钌及钌铱合金等）。常用的阴极保护辅助阳极的性能见表4-5。

表4-5　常用的阴极保护辅助阳极的性能

1.碳钢阳极

碳钢为可溶性阳极材料，工作时的基本反应为铁的阳极溶解，离子的反应如下：

Fe→Fe²⁺+2e

碳钢在腐蚀性介质中的耐蚀性比其他阳极材料差，溶解速度较大，且随着电流密度的增加而加大。根据法拉第定律，形成Fe²⁺时铁的消耗速度为9.13kg/A·a。但实际上要比此值大，特别是在水中和海水中，因为效率小于100%；而在土壤中，钢的消耗速度要小些，约为8.4kg/A·a，这是由于钢表面上形成的富碳层会有部分钝化作用。作为辅助阳极的铸铁，在腐蚀时表面的石墨化和富碳层可导致钝化和气体逸出，因而消耗速度比理论值小。

碳钢阳极可利用废钢材，因此来源广泛、价格低廉，而且力学性能和加工性能好，所以在需用较大面积辅助阳极时，用钢材比较经济。目前碳钢阳极在地下管道、冷却水系统、闸门等阴极保护系统中应用较为普遍。

碳钢在腐蚀介质中的耐蚀性较差，是一种消耗性的阳极材料。因此化工设备内部进行阴极保护时一般不宜采用碳钢作阳极，因为碳钢阳极腐蚀后产生的铁锈大量沉积在设备底部，清除比较困难，也会影响生产。但在碱液蒸发器中，因为碳钢表面能生成一层Fe₃O₄表面膜，延长了碳钢的使用寿命。生产实践证明，在浓度为20%～40%的NaOH溶液中，温度为120℃时，在3A/m²的电流密度下，钢质阳极使用3年之久仍看不出有腐蚀的迹象。

如果在能形成钝态的介质中，适当选择合适的阳极面积，使通过的阳极电流密度满足碳钢的钝化状态，可以大大减轻碳钢阳极的腐蚀。如对碳铵生产中的碳化塔实施阴极保护，因辅助阳极处于钝化状态，使用1年后仍未发现腐蚀现象。

如果产品不能有Fe²+离子污染时，不可采用碳钢阳极。

2.高硅铸铁

硅铁的阳极稳定性随着硅含量的增加而提高，一般用Si质量分数为14%～18%的高硅铸铁作阳极材料。硅质量分数低于14%时阳极稳定性不好，而硅质量分数大于18%时就变得很脆，以致不能应用。

硅质量分数为14.5%的高硅铸铁是单相合金，由于表面上能形成含SiO₂的覆盖层，因此具有较好的耐蚀性。但高硅铸铁不耐碱性溶液，因为SiO₂可溶于碱溶液中。在海水或微咸水中，高硅铸铁表面形成的覆盖层不完全，耐蚀性较差。为了改善耐蚀性，往往在合金中加质量分数为5%的Cr及1%的Mn，或加1%～3%的Mo。例如，加Mo的高硅铸铁，当电流密度为10A/m²时，在海水中的消耗速度为0.02kg/A·a，而不加Mo的高硅铸铁在海水中的消耗速度为0.2kg/A·a。

在淡水中，当电阻率大于10Ω·m时，高硅铸铁的消耗速度比碳钢低得多，在pH值为3～9，电流密度为10A/m²时，消耗速度不超过0.12kg/A·a。当淡水温度高于50℃时，最好用含铬的高硅铸铁。

高硅铸铁阳极的主要优点是对各种介质（淡水、微咸水、海水及土壤等）的适应性较强，使用电流密度范围宽；主要缺点是熔炼困难，质硬而脆，加工和焊接性能差，易断裂。使用时可按阳极规格一次性浇铸成形，铸造时先嵌入钢条以便钻孔固定导线端子。

3.石墨阳极

石墨是由炭在电炉中高温加热时形成的晶体材料，密度为1600～1700kg/m³，电阻率为3×10^-5～8×10^-6Ω·m。石墨是多孔性材料，表面积达0.5m²/g。在孔内，阳极反应生成的气体会引起材料的损坏，所以用沥青和树脂等浸渍制成不透性石墨，这样可以降低材料的多孔性，增加其机械强度及使用寿命，但不透性石墨的电阻显著高于金属阳极的电阻。

石墨导电性好，耐蚀性强，是一种难溶性的阳极材料，但由于其性脆、强度低、易碎裂，在应用上受到限制。它在较高电流密度下工作时，阳极表面发生析氧反应，此时石墨易被氧化为CO₂而消耗掉。石墨阳极的使用寿命取决于阳极上析出的氧量。介质中的氯化物含量越低，石墨阳极上析出的氧量就越多，因而阳极破坏也越快。当溶液中氯化物浓度足够大时，就优先生成氯，它对石墨无害，反而可阻滞氧的析出，因此在海水中石墨的消耗速度比在淡水中小些，见表4-6。

石墨阳极的平均消耗速度为200g/A·a，在特殊情况下会超过1kg/A·a。石墨通常用于固定结构的阴极保护，但不适用于船舶、封闭系统，以及温度高于50℃的水中。

表4-6　石墨在不同环境中的消耗速度和电流密度

4.铅银合金阳极

Ag质量分数为2%的铅银合金的排流量大（150～200A/m²仅次于铂）、消耗量小（0.1kg/A·a）、铸造简单，是一种半永久性阳极，其缺点是应用的介质种类、浓度和使用电流密度受到一定的限制。它在海水中是一种相当理想的阳极材料，但在淡水中却不适用。

铅银合金阳极适用于海水、盐水和含有SO²₄^-离子等导电性强的介质中，并在中等电流密度下工作。其阳极消耗量与介质浓度及其表面形成的PbO₂层的性质有关，为了保证合金表面在阳极极化电流作用下能生成和维持一层紧密耐蚀性和导电性好的PbO₂膜，阳极电流密度不能小于30A/m²，但如果电流密度大于200A/m²时，则生成疏松的PbCl₂膜，它不起保护作用，反而加剧Pb的腐蚀。所以铅银合金只适用于中等电流密度，一般取50～200A/m²。

纯铅表面生成的PbCl₂比较疏松，它与金属基体的结合力较弱，所以不耐蚀。铅中加入少量Ag后，可以降低氧在Pb上放电的超电压，因而有利于PbO₂在表面的形成，而且能促使PbO₂更加紧密地附着在铅表面上。PbO₂是非化学计量氧化物，因此有很高的导电性。PbO₂有两种不同的结构：①α-PbO₂，其组成为PbO_1.93～2.02，属斜方晶系，电导率为10S/m；②β-PbO₂，其组成为PbO_1.85～2，属正方晶系，电导率为100S/m。在阳极极化时，Pb在大多数电解液中生成β-PbO₂。当Pb表面生成一薄层PbO₂后，电极表面上继续进行的氧化反应是溶液中OH^-或Cl^-离子的放电反应，此时的铅银电极是惰性的。

但铅银合金在含有CO²₃^-离子的溶液中不能生成致密的PbO₂保护膜，因此不能在联碱生产液中作阳极材料。

在高温海水或盐水中可采用Pb-6Sb-1Ag、Pb-1Sb-3Ag、Pb-5Sb-1Ag-1Sn等多元合金作阳极。

5.铅银合金嵌铂丝阳极

铅银合金是一种较好的阳极材料，但其使用的电流密度不能大于200A/m²，为了进一步提高其排流能力，可在铅银合金表面嵌入铂丝，所嵌铂丝直径约为0.5mm，嵌入深度约为5mm，一部分铂丝露在外面，铂丝面积为阳极面积的0.1%～5%，由于它的工艺比镀铂简单，所以目前在海水阳极保护中得到广泛应用。铅银合金可以在500～1000A/m²的电流密度下工作，即使在2000A/m²的电流密度下也可以使用相当长的一段时间。

6.钛镀铂阳极

铂电极是最理想的阳极材料，它能在很大的电流密度下长期工作，极化很小，腐蚀极微。但铂电极过于昂贵，如果将铂镀在其他金属基体上，就可得到电化学性能与铂相似并且耗铂量少的阳极。常用的金属基体钛、铌、钽、铂及镀铂阳极的性能见表4-7。

表4-7　常用的金属基体钛、铌、钽、铂及镀铂阳极的性能

可以采用电沉积或包覆的方法将铂覆盖在金属基体的表面上。

钛是一种性能很好的工业材料，强度高、密度小、耐蚀性好、加工性能也好，但由于表面有一层TiO₂氧化膜，在阳极状态下，这层膜的电阻很大，使其导电困难，因此Ti不能单独作为阳极材料。若在钛表面镀一层仅几微米的极薄铂层以后，它就具有铂的阳极特性，阳极密度可高达2000A/m²，且消耗量极小，腐蚀率<6mg/A·a，所以镀铂钛阳极是一种高排流量、低消耗、质轻、体积小、安装使用方便，并适用于多种介质的不溶性阳极。

钛上的氧化膜在电压为12～14V时会被击穿，因此使用时必须注意电压不能超过12V，否则镀铂钛表面上未镀上铂的孔上的氧化膜被击穿，导致钛的进一步腐蚀而引起整个电极的损坏。因此其电位限制在7.5V左右，镀铂钛阳极的工作电流密度在2.7～8A/dm²时最为经济。

虽然镀铂钽和镀铂铌的性能比镀铂钛更稳定，如钽的氧化膜击穿电压高达160V，但是钽和铌为稀有金属，不易获得，价格昂贵，所以应用很有限。

7.铂合金阳极

采用铂合金作为阳极材料可以大大节省铂，较为经济。钯的价格是铂的1/4～1/5，是铱和铑的1/14～1/15，因此采用铂钯合金作为阳极材料是经济的。

钯质量分数为10%～20%的铂钯合金，化学稳定性低于铂，但在阳极性能方面与铂相似，工作电流密度为1800A/m²，消耗速度可忽略。

铱质量分数为10%的铂铱合金最稳定，阳极性能超过铂，但价格比纯铂阳极贵，使用量少。

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