外加电流阴极保护设计优化方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：电源的选择外加电流阴极保护系统，需要低电压大电流的直流电源。腐蚀试验应在阳极极化下进行，试验时的电流密度应符合阴极保护时的使用条件。保护电位是阴极保护效果的判定标准。

进行阴极保护前，首先要考虑被保护设备的材质、生产工艺条件（如介质种类、温度、压力、流速、通气程度等）、设备的结构型式、发生腐蚀的类型等因素，估计在该情况下阴极保护的可能性。然后测定该体系的极化曲线和保护效率，以确定保护电位、保护电流密度和保护率，确定采用阴极保护的现实性和经济意义。最后进行阴极保护的设计，主要做三方面的工作：①直流电流的选择；②阳极材料的选择和阳极布置；③参比电极的选择和电位测量。

1.直流电源的选择

（1）输出电流　由保护电流密度算出总的输出电流，阴极保护所需的保护电流常常会随时间的延长而减小，所以在设计时要计算最大的保护电流量，以满足阴极保护初期及外界条件恶化时的需要。选用电源的输出电流I要满足被保护系统所需的最大电流，并留有25%的余量，即

I=1.25iS

式中，1.25为遮盖系数；i为最大保护电流密度（A/m²）；S为阴极保护面积（m²）。

（2）输出电压　输出电压V=阳极极化电位+阴极极化电位+内外电路的电压降（IR），一般只要大于10V即可。

（3）输出功率　根据上述计算的输出电流和输出电压可以计算出直流电源的输出功率W，即

W=IV

根据输出功率可以确定直流电源的容量。

（4）电源的选择　外加电流阴极保护系统，需要低电压大电流的直流电源。

根据控制的精度可以选用手动控制的整流器或自动控制的恒电位仪。

2.阳极的选择和布置

阳极材料选择往往需要根据腐蚀试验或现场使用情况来确定。腐蚀试验应在阳极极化下进行，试验时的电流密度应符合阴极保护时的使用条件。

（1）阳极的尺寸和数量　首先计算阳极总的有效表面积：

ΣS_a=I/i_a

式中，ΣS_a为阳极总的有效表面积（m²）；I为最大保护电流（A）；i_a为阳极的工作电流密度（A/m²）。

然后计算单个阳极的有效表面积：

S_a=ΣS_a/n=I/ni_a

式中，n为阳极数目。

阳极的数目可以根据阳极的排流量和作用半径来确定，或由经验或通过实验来确定。

根据有效表面积可以确定阳极的有效直径或有效长度。

圆形阳极的有效直径为

圆柱形阳极的有效直径为

d=S_a/πL

长条形阳极的阳极长度为

L=S_a/2（b+h）

式中，L为阳极的长度（m）；b为阳极的宽度（m）；h为阳极的有效厚度（m）。

阳极的有效厚度一般为实际厚度的2/3～3/4。

（2）阳极使用寿命　求出的阳极尺寸要根据阳极的消耗率来核算其使用寿命，如果计算出的寿命小于设计使用寿命时，必须增大阳极的尺寸。

圆形阳极的使用寿命：

τ=πd²hρ/4IK

圆柱形阳极的使用寿命：

τ=πLρ/4IK

长条形阳极的使用寿命：

τ=bhLρ/IK

式中，τ为阳极使用年限（a）；ρ为阳极材料的密度（kg/m³）；I为阳极的工作电流（A）；K为阳极的消耗率（kg/A·a）。

（3）阳极的布置　阳极布置包括阳极个数、阳极位置和阴阳极之间的距离等。阳极布置是否合理直接影响到设备表面能否得到均匀的电流密度。阳极的个数及分布主要取决于分散能力的好坏。分散能力好的体系，阳极个数可以少些，阳极位置要求不严，阴阳极间距可小些；分散能力差的体系，阳极个数要多，阳极位置要求严格，阴阳极间距要大一些。

阳极的布置以被保护金属表面达到电位分布均匀为原则，并且要考虑到结构简单、安装维护及更换方便。对于复杂结构的阴极保护，其阳极布置应通过试验来确定。

3.参比电极的选择和电位的测量

参比电极的选择主要取决于介质和使用条件，以及阴极保护的精度。在工业设备中进行电化学保护时，有时也采用耐蚀、耐用、价格便宜的铅、铸铁、不锈钢等固体材料作参比电极，但要求它们稳定电位的波动值不大于±100mV。

电位测量可以确定结构的保护状态及测出保护不良的部位，它起着测量和监控两方面的作用。保护电位是阴极保护效果的判定标准。对于钢铁地下管道的阴极保护而言可有如下一些测定和判定方法：

1）在通电的情况下，测得埋设在地下的钢铁管道相对于铜/硫酸铜电极的电位差至少为-0.85V时，可提供最好的阴极保护程度。

2）考虑到土壤的电阻率高，引起的IR降误差较大，因此采用中断阴极电流时测得的对地电位，即取-0.85V（相对于铜/硫酸铜电极，下同），作为阴极保护的控制参数更为合适。

3）由于钢铁在土壤中的自然腐蚀电位通常为-0.5～-0.6V，因此当钢铁地下管道有保护电流流过时，如果能使其极化电位向阴极方向偏移-0.3V，也能得到很好的保护效果。

4）钢铁地下管道的阴极极化电位至少给予100mV的变化，也能得到良好的保护。阴极极化电位的变化是在保护电流切断时，测定极化的衰减来得到的。当电流刚切断时，电位急速衰减，将此急速衰减后的电位作为测定管道对地电位的基准值，即得阴极极化电位的变化。

5）根据极化曲线分析，阴极极化的φ-lgI曲线图上发生突变的电位值，即在曲线上Tafel区开始点的电位值也能作为保护电位。对于阴极反应为析氢反应的腐蚀体系，因为只有当被保护管道上的微阳极反应完全被消除后，阴极析氢过程的极化曲线才能完全符合Tafel规则，因而此时的电位即为保护电位。

6）首先测出埋设管道上的腐蚀点，即腐蚀电流的流出点，然后进行阴极极化，再用测定地电流的方法进行监测，当真正的防腐蚀电流从电解液流入埋设管道表面时，此管道得到了完全的保护。地电流的测定方法是在测定点正交的两个方向上，分别在土壤中插入两支参比电极，用高阻抗的电位计测定两电极间的电位差，假如土壤的电阻率已知，就能求得地电流值。

此外，还可用直观或金相观察、渗漏检查等辅助方法配合测定阴极保护的效果。