腐蝕與腐蝕電池
作為一種天然存在的現(xiàn)象,腐蝕主要是指材料(一般指金屬材料)與環(huán)境間發(fā)生的化學(xué)或電化學(xué)相互作用而導(dǎo)致材料功能受到損傷的現(xiàn)象。
在大多數(shù)情況下,當(dāng)金屬被放置在水溶液中或潮濕的大氣環(huán)境中時(shí),金屬表面會(huì)形成一種微電池,有時(shí)也稱腐蝕電池(其電極一般稱為陰、陽(yáng)極)。在陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng),使陽(yáng)極發(fā)生溶解,在陰極上則發(fā)生還原反應(yīng),一般只起傳遞電子的作用。
腐蝕電池的形成原因
腐蝕電池的形成原因主要是由于金屬表面吸附了空氣中的水分,形成了一層水膜,因而使空氣中CO?等氣體溶解在這層水膜中,形成電解質(zhì)溶液,而浸泡在這層溶液中的金屬又總是不純的,例如工業(yè)上用的鋼鐵,其實(shí)際上是合金材料,即除鐵之外,還含有石墨、滲碳體以及一些其它的金屬和雜質(zhì),它們大多數(shù)沒(méi)有鐵元素活潑。這樣形成的腐蝕電池的陽(yáng)極為鐵,而陰極為雜質(zhì),又由于鐵與雜質(zhì)緊密接觸,使得腐蝕不斷進(jìn)行。
金屬材料發(fā)生腐蝕的難易程度通常取決于金屬的晶粒結(jié)構(gòu),合金材料組成以及在制造期間金屬表面經(jīng)受的處理溫度和是否發(fā)生變形等因素。
微觀腐蝕電池
現(xiàn)在,已經(jīng)有許多經(jīng)受了時(shí)間考驗(yàn)的腐蝕預(yù)防方法,其中之一就是陰極保護(hù) 法,在本文中,我們將介紹一些關(guān)于陰極保護(hù)類型以及該方法如何有效預(yù)防埋地管道免受腐蝕等知識(shí)。
什么是陰極保護(hù)?
陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種,其原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流,被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極,從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制,避免或減弱腐蝕的發(fā)生。暴露于電解質(zhì)中的金屬材料表面具有多個(gè)微觀陽(yáng)極和陰極位置。當(dāng)陽(yáng)極電負(fù)性強(qiáng)于陰極時(shí),它們之間就會(huì)產(chǎn)生電位差,進(jìn)而發(fā)生腐蝕
陰極保護(hù)的目的就是盡可能的降低陰極和陽(yáng)極之間的電位差,使其降低到一個(gè)可以忽略的值。這種電位差的減少主要是由于陰極的極化所導(dǎo)致,根據(jù)歐姆定律,利用這種方法,腐蝕電流能夠得到很好的緩解。陰極保護(hù)可以通過(guò)向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。
陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)
為了實(shí)現(xiàn)足夠的陰極保護(hù),受保護(hù)結(jié)構(gòu)的電位必須極化到一定的值,通常采用參比電極來(lái)測(cè)量極化電位。例如銅/硫酸銅電極(CSE)就是土壤和淡水中較常用的參比電極。
目前有兩種類型的陰極保護(hù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)情況,一般可以使用其中任何一種,盡管在許多情況下,第 一 種被認(rèn)為是更加優(yōu)越的。
1.電位標(biāo)準(zhǔn)
施加陰極保護(hù)時(shí)被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的電位至少達(dá)到-850毫伏(mV)或更負(fù)(相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極)。
2.極化轉(zhuǎn)變標(biāo)準(zhǔn)
在構(gòu)筑物表面與接觸電解質(zhì)的穩(wěn)定參比電極之間的陰極極化值為100mV(相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極)。
注:這些判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要適用于碳鋼材料,不同類型的金屬材料標(biāo)準(zhǔn)可能有所不同。
陰極保護(hù)的類型
陰極保護(hù)主要包含兩種類型
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犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極
這種類型的陰極保護(hù),主要原理是通過(guò)將被保護(hù)金屬和一種可以提供陰極保護(hù)電流的金屬或合金(即犧牲陽(yáng)極)相連,進(jìn)而使得被保護(hù)體極化以降低腐蝕速率。在被保護(hù)金屬與犧牲陽(yáng)極所形成的電池中,被保護(hù)金屬體為陰極,犧牲陽(yáng)極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位值,在保護(hù)電池中是陽(yáng)極,被腐蝕消耗,故此稱之為“犧牲”陽(yáng)極,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰極的被保護(hù)金屬體的防護(hù)。
犧牲陽(yáng)極一般為一些活性金屬,例如鋅、鋁和鎂等,根據(jù)電位序列,這些都是比較活躍的金屬材料。
陰極保護(hù)電流主要是由犧牲陽(yáng)極和受保護(hù)結(jié)構(gòu)之間的電位差引起的。
使用的陽(yáng)極類型通常取決于電解質(zhì)的電阻率和化學(xué)組成等因素。
該類型的陰極保護(hù)優(yōu)點(diǎn)主要有:?jiǎn)未瓮顿Y費(fèi)用低,運(yùn)行過(guò)程中基本不需要支付維護(hù)費(fèi)用;保護(hù)電流的利用率較高,不會(huì)產(chǎn)生過(guò)保護(hù);對(duì)鄰近的地下金屬設(shè)施無(wú)干擾影響;適用于廠區(qū)和無(wú)電源的長(zhǎng)輸管道以及小規(guī)模的分散管道保護(hù);施工技術(shù)簡(jiǎn)單,平時(shí)不需要特殊的維護(hù)管理等。
2.強(qiáng)制電流陰極保護(hù)(外加電流法)
強(qiáng)制電流陰極保護(hù) 法是指將被保護(hù)金屬與外加電源負(fù)極相連,由外部電源提供保護(hù)電流,以降低腐蝕速率的方法。外部電源通過(guò)埋地的輔助陽(yáng)極將保護(hù)電流引入地下,通過(guò)土壤提供給被保護(hù)金屬,被保護(hù)金屬在大地中仍為陰極,其表面只發(fā)生還原反應(yīng),不會(huì)再發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng),使腐蝕受到抑制。
三種常用的陽(yáng)極類型:可溶性陽(yáng)極(鋁和鋼),半可溶性陽(yáng)極(石墨和高硅鑄鐵(HSCI))和不溶性陽(yáng)極(鉑,混合金屬氧化物和聚合物等)。
這種類型的陰極保護(hù)技術(shù)的主要部件是一個(gè)變壓整流器,這迫使電流從陽(yáng)極流到受保護(hù)的結(jié)構(gòu)(陰極)。
具體使用的陽(yáng)極類型,可溶性,半可溶性或者不溶性,通常取決于電解質(zhì)的化學(xué)組成和待保護(hù)的區(qū)域等因素。
該類型的陰極保護(hù)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要包括:驅(qū)動(dòng)電壓高,能夠靈活地在較寬的范圍內(nèi)控制陰極保護(hù)電流輸出量,適用于保護(hù)范圍較大的場(chǎng)合;在惡劣的腐蝕條件下或高電阻率的環(huán)境中也適用;選用不溶性或微溶性輔助陽(yáng)極時(shí),可進(jìn)行長(zhǎng)期的陰極保護(hù);每個(gè)輔助陽(yáng)極床的保護(hù)范圍較大,當(dāng)管道防腐層質(zhì)量良好時(shí),一個(gè)陰極保護(hù)站的保護(hù)范圍可達(dá)數(shù)十公里等。