阳极保护系统设计优化方案

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：阳极保护系统必须经过仔细地设计，因为这种保护方法只在有活性-钝性的阳极极化情况下才有效。如果阳极保护方法使用不当，可能会加速腐蚀。根据阳极极化曲线，确定保护电位范围和所需的电流密度。硫酸贮槽的阳极保护就是通过采用较小的致钝电流密度同时延长钝化时间来建立钝化状态的。

阳极保护系统必须经过仔细地设计，因为这种保护方法只在有活性-钝性的阳极极化情况下才有效。如果阳极保护方法使用不当，可能会加速腐蚀。

1.电化学试验及参数的确定

在设计阳极保护系统前，必须经过试验来确定被保护金属采用阳极保护的可能性以及阳极保护的参数。

在实验室进行试验时，所用的金属试样应与生产现场的设备材料相同。试验所用的介质也应尽可能与生产中的一致。如果不能得到真实的介质，则需制备模拟介质。在生产中，如果介质发生重大的变化，在实验室试验时也必须做相应的调整。

在试验时，要尽可能使试验条件接近生产条件。例如压力和温度，压力不同会使溶液中可溶性气体的含量发生变化；温度与金属的电化学性能密切相关，温度不同得到的结果也不同。

试验条件准备好后，就可以进行阳极极化曲线的测绘，一般采用恒电位法来测绘。根据测得的阳极极化曲线就可以确定是否可以进行阳极保护。凡是阳极极化曲线上有活性-钝性转变，致钝电流密度不太大，钝化区的电位范围足够大的系统，都可以进行阳极保护。

根据阳极极化曲线，确定保护电位范围和所需的电流密度。必须注意的是，实验室试验所得的数据可以直接用于现场的设备保护，但如果所用的参比电极不同，则须将电位值进行换算后才能用。

从阳极极化曲线计算实际所需的致钝电流密度和维钝电流密度时，必须注意这些电流密度与时间有很大的关系。

致钝电流密度随钝化时间的延长而减小，如果未加保护时设备的腐蚀速度小于0.51～0.76mm/a。在这种情况下可以通过采用较小的致钝电流密度同时延长钝化时间来建立钝化状态，这样可以减小直流电源的输出电容量，以减小设备成本。硫酸贮槽的阳极保护就是通过采用较小的致钝电流密度同时延长钝化时间来建立钝化状态的。

如果设备的腐蚀速度大，则选用较大的致钝电流密度，使设备在较短的时间内达到钝化状态，以减小在钝化膜形成时的腐蚀。

2.电极

（1）参比电极　选择参比电极时主要考虑电极在腐蚀性介质中的适用性和电化学稳定性。参比电极在腐蚀性介质中基本上是不溶的，对溶液和温度变化也应该具有电化学稳定性。

许多参比电极可适用于各种不同的介质中，参比电极的大小并不是决定性的因素。

（2）阴极　阴极材料的选择主要考虑它在介质中的稳定性。阴极材料应该是惰性的，或者在外加电流时能受到阴极保护。

阴极材料的选择也应考虑价格。电能的消耗与阴极面积有很大的关系，因为在整个电化学体系中，电阻主要取决于阴极与介质之间的接触电阻。为了尽可能地降低电耗，应该采用表面积大的阴极。

阴极的大小及数量可以根据电路的电阻和电流的分布来确定。圆柱体阴极的接触电阻可用下式计算：

式中，R_c为阴极与介质之间的接触电阻（Ω）；ρ为介质的电阻率（Ω·cm）；r₁为阴极半径（cm）；r₂为阴极中心线至被保护金属的距离（cm）；l为阴极长度（cm）。

计算值与测量值能较好地吻合。对长阴极来说，计算值有些偏离，即电阻值趋向于某个渐近值。这表明长阴极可能有极限电阻。在生产中，采用长的圆柱体阴极，可以降低电阻。例如在浓硫酸中用的长阴极，电路电阻约为0.04Ω。

3.直流电源

选择直流电源时，主要考虑合适的电流容量和电能容量。电流容量可由预先确定的使被保护金属钝化所需的电流来确定。可以使用移动式的或辅助的电源来建立初期的钝态，然后用容量足够的在线电源来维持钝态。

电源的大小应该使设备在合适的时间内能够充分钝化。因为钝化所需的电流与时间有很大的关系，如果钝化时间从1s延长到30～60min，所需的电流可以减小一个数量级。因为再钝化时金属的腐蚀速度会加快，所以只有在被保护金属很少需要再钝化并且不保护时的腐蚀速度较低时，才采用长时间的钝化。如果设备经常需要再钝化并且不保护时的腐蚀速度较大，则设计时应考虑尽可能缩短钝化时间。

表4-23列出了某些条件下致钝及维钝所需的电流密度数据，这些数据是从实验室中得到的，可能偏高。

表4-23　某些条件下致钝及维钝所需的电流密度

直流电源选择时第二个要考虑的因素是输出电压。电压的大小可以根据导线、被保护金属、介质、阴极、阴极/介质组成的电路的总电阻来确定。其中，阳极/介质的接触电阻是主要因素。直流电源的输出电压一般为10～20V，可提供的电流达750A。

阳极保护系统设计优化方案

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