1.5　陰極保護

1.5.1　陰極保護的原理

陰極保護是一種控制金屬電化學腐蝕的保護方法。在陰極保護系統構成的電池中，氧化反應主要集中發生在陽極上，從而抑制了作為陰極的被保護金屬腐蝕。陰極保護是一種基于電化學腐蝕原理發展的一種電化學保護技術。

每種金屬處于電解質溶液中，都有一個電極電位，當兩種不同金屬處于同一電解質溶液時，由于電極電位值的不同，就構成了腐蝕原電池，電位較負的金屬成為陽極，電位相對較正的金屬成為陰極。如遠洋船舶的船體是鋼，推進器是青銅制成的，銅的電位比鋼高，所以電子從船體流向青銅推進器，船體受到腐蝕，青銅推進器得到保護。

1.5.2　犧牲陽極保護

在腐蝕電池中，陽極腐蝕，陰極不腐蝕或腐蝕極小。基于這一原理，以犧牲陽極優先溶解，使金屬結構成為陰極而實現保護的方法稱為犧牲陽極法。

常用的犧牲陽極有鋅及鋅合金、鋁合金和鎂合金三大類。

鋅是一種普通的金屬，原子序數30，原子量65.37，密度7.14g/cm³，化合價為2，熔點419℃。鋅的標準電極電位為-0.76V（SHE），比鐵負，高純鋅在海水中的穩定電位是-0.82V（SHE），相對于鋼鐵和常用金屬結構材料來說是負電性的，是理想的犧牲陽極材料。鋅在低電阻土壤和海洋環境中廣泛用作犧牲陽極使用，在高電阻率的土壤和淡水中不太適用。雜質對鋅的陽極行為和自溶性有很大影響。因此鋅陽極的開發主要通過兩個途徑：一是采用限制雜質含量的未合金化鋅；二是采用低合金化的鋅合金，同時減少其雜質，比如Zn-Al-Cd三元鋅合金和Zn-Al二元合金。

鋁是典型的輕金屬，原子序數13，位于鎂和硅之間，原子量26.98，化合價為3，密度2.72g/cm³，熔點660℃。鋁的標準電極電位為-1.66V（SHE），在海水中的穩定電位約為-0.53V（SHE）。鋁的理論電容量為2970A·h/kg，是鋅的3.6倍，鎂的1.35倍。鋁是自鈍化金屬，表面會生成鈍化膜，此時鋁電位較正，因此未合金化的鋁是不能作為犧牲陽極的。幾種鋁合金犧牲陽極中都添加了鋅，比如Al-Zn-Hg合金、Al-Zn-In合金和Al-Zn-Sn合金，其中Al-Zn-In合金是目前應用最廣泛的鋁合金犧牲陽極。鋁合金大多用于海水環境金屬結構或原油儲罐內底板的陰極保護。埕島淺海油田對鋁犧牲陽極浸海四年、六年和七年后進行檢查，由于污損生物的影響，鋁陽極保持原樣，而鋼樁則發生了局部腐蝕。南海潿州島油田1年、5年和10年檢測結果也表明海生物污損對犧牲陽極起到了阻礙作用。

鎂是典型的輕金屬，原子序數12，原子量24.31，密度1.74g/cm³，化合價2，熔點651℃。鎂的標準電極電位為-2.37V（SHE）。鎂陽極的特點是相對密度小，電極電位很負，極化率低，對鐵的驅動電壓很大。其主要缺點是電流效率很低，一般只有50%左右；而且碰撞容易產生火花，限制它在高安全性場合的應用。鎂作為犧牲陽極主要有高純鎂、Mg-Mn合金、Mg-Al-Zn-Mn合金三大系列。高純鎂可以加工成帶狀陽極，應用于電阻率高的土壤和水中；Mg-Mn合金主要用于高電阻率環境中；Mg-Al-Zn-Mn合金表面溶解均勻，是土壤中應用最廣泛的陽極材料。

以原油儲罐罐底犧牲陽極陰極保護為例，設計步驟包括陰極保護面積（與沉積水接觸的罐底與第一圈鋼板上部）計算，保護電流密度及總保護電流，確定陽極總數量，根據犧牲陽極保護年限，確定單支陽極質量。一個10萬立方米的原油罐，儲油罐直徑為80m；設計溫度65℃；罐底板厚度：中幅板11mm，邊緣板20mm，壁板32mm；罐底板材質為Q235A碳鋼，邊緣板、壁板為SV490Q。儲罐罐底板陰極保護總面積為5425.92m²，其中罐底表面積為5024m²，底圈壁板距罐底板1.6m的表面積為401.92m²。陰極保護的參數見表1-8。陽極在罐內底板分布為6層，即分別為1塊、12塊、24塊、36塊、56塊和84塊，共213塊。陽極直接焊接在罐底的表面，在罐底上環狀均勻布置。

1.5.3　外加電流陰極保護

外加電流陰極保護，又稱強制電流陰極保護。它是根據陰極保護原理，通過外加直流電源作陰極保護的極化電源，將電源的負極接被保護物，將電源的正極接至輔助陽極。在電流的作用下，使被保護物對地電位向負的方向偏移，從而實現陰極保護。外加電流陰極保護主要應用于淡水、海水、土壤、堿及鹽等環境中金屬設施的防腐蝕。

外加電流陰極保護系統包括三個主要組成部分，直流電源、輔助陽極、被保護金屬結構物（陰極）。此外，還有參比電極、檢測站、陽極屏蔽、電纜和絕緣裝置等。

外加電流陰極保護系統實質上是一個電解池。作為該電解池陽極的輔助陽極應該耐受環境電解質的腐蝕、電解溶解和陽極氧化的電化學作用。常用的輔助陽極的材料有高硅鑄鐵、石墨、鉛銀合金、鉛銀微鉑、鍍鉑鈦、鉑鈮絲、鉑銥合金等等。在外加電流工作時，陽極排出較大的電流，周圍被保護結構的電位會很負，以致產生析氫現象，使附近的防腐涂層受到破壞。為了防止這種現象的發生，確保陰極保護效果，輔助陽極周圍要涂裝屏蔽層，無溶劑環氧涂料是較好的陽極屏蔽材料。

船舶（水下部位）浸在海水中會產生電化學腐蝕，在其腐蝕過程中，微觀電池的陽極區被腐蝕，而陰極區不受腐蝕，外加電流陰極保護如圖1-19所示，就是將船體接恒電位儀的陰極端（同時將舵及推進器接地連成一個陰極體），輔助陽極接恒電位儀陽極端，通以直流電流，使船體表面陰極極化，利用參比電極檢測及控制船體表面的極化電位，當鋼板極化電位達-0.80V（相對于Ag-AgCl參比電極）時，船體就得到保護。