陰極保護(hù)的基本原理
陽(yáng)極、陰極、金屬通路、電解液 - 這是腐蝕回路的四個(gè)組成部分。消除其中一個(gè),就能成功地減輕了腐蝕作用。最直觀的方法是消除電解液,或者更準(zhǔn)確地說(shuō),消除電解液和金屬之間的界面。這就是為什么涂料行業(yè)每年產(chǎn)生近2000億美元的收益。然而,還有其他方法可以消除結(jié)構(gòu)完整性所依賴的基材上的腐蝕反應(yīng),即從腐蝕回路中移除陽(yáng)極。更準(zhǔn)確地說(shuō),陽(yáng)極區(qū)域從主體結(jié)構(gòu)移動(dòng)到用于腐蝕的犧牲區(qū)域。這種做法被稱為陰極保護(hù)。它是有效的,可以進(jìn)行可靠地監(jiān)測(cè),并且可以與大多數(shù)(但不是所有的)涂層系統(tǒng)一起使用,以最大限度地保護(hù)與土壤、混凝土或水環(huán)境接觸的金屬結(jié)構(gòu)。
陰極保護(hù)的基本原理,或CP,是將腐蝕區(qū)域轉(zhuǎn)移到一個(gè)特殊點(diǎn),就是設(shè)定在指定的陽(yáng)極上,而不是讓金屬結(jié)構(gòu)在浸沒(méi)于導(dǎo)電的電解質(zhì)中時(shí)存在自然的陽(yáng)極和陰極區(qū)域。換句話說(shuō),如果你能使整個(gè)管道或罐底或鋼筋基體成為腐蝕回路中的陰極,就能減緩希望保持其完整性的結(jié)構(gòu)上的腐蝕作用。這種犧牲陽(yáng)極,無(wú)論它是自然產(chǎn)生保護(hù)電流還是通過(guò)外部外加電流,都可以幫助金屬結(jié)構(gòu)增加幾十年的設(shè)計(jì)壽命,特別是在與保護(hù)涂層系統(tǒng)配合情況下。需要注意的是,CP只能在需獲得保護(hù)的結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)之間持續(xù)性接觸時(shí)使用,所以它不能用于地上的結(jié)構(gòu),因?yàn)橥繉拥慕饘賰H僅暴露與大氣環(huán)境中。
犧牲陽(yáng)極被分為兩類。第一類是電化學(xué)陽(yáng)極。這些陽(yáng)極利用兩種金屬之間的自然電化學(xué)電位來(lái)驅(qū)動(dòng)陰極保護(hù)回路。陽(yáng)極的材料選擇來(lái)自于電化學(xué)電勢(shì)序列,這是按其電化學(xué)電位順序排列的材料。電位越負(fù),就越有可能被用作電化陽(yáng)極??梢钥吹较旅娴膱D表。
從上圖可以看出,鎂、鋅和鋁等金屬是常見(jiàn)的電化學(xué)陽(yáng)極,因?yàn)樗鼈兊碾妱?shì)電位通常比用于保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)更負(fù)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將決定使用哪種電化學(xué)陽(yáng)極來(lái)保護(hù)鋼材。但一般來(lái)說(shuō),電化學(xué)系統(tǒng)僅使用這三種陽(yáng)極材料中的一種。電化學(xué)系統(tǒng)通常與它們所保護(hù)的結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合,這意味著陽(yáng)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)的距離在幾英尺之內(nèi)。電化學(xué)系統(tǒng)只需要從陽(yáng)極到陰極的金屬連接就可以發(fā)揮作用。雖然船上系統(tǒng)的鋅陽(yáng)極直接焊接或用螺栓固定在船體上,和一些短管道系統(tǒng)的鎂陽(yáng)極,其引線直接熱焊在外壁上。,但其他系統(tǒng)有一種 "打破 "陽(yáng)極和陰極之間的連接方式,以便能夠測(cè)試保護(hù)功效。稍后會(huì)更多地談及這個(gè)問(wèn)題。
第二種使用的陽(yáng)極是外加電流陽(yáng)極。這些陽(yáng)極在與大多數(shù)普通陰極組成的腐蝕回路中不會(huì)自然傳導(dǎo)電流。它們需要一個(gè)外部電源來(lái) "外加"電流。這種性質(zhì)的常見(jiàn)陽(yáng)極是貴金屬基材上的混合金屬氧化物、石墨和高硅鑄鐵。用于外加電流系統(tǒng)操作的外部電源被稱為整流器。該裝置從附近的電源線或安裝的太陽(yáng)能電池板輸入交流電壓,使用整流元件(硒或由硅二極管組成的整流元件)將其轉(zhuǎn)換為直流電,然后將陽(yáng)極極化,將電流傳導(dǎo)到預(yù)定的結(jié)構(gòu)上。外加電流陽(yáng)極的優(yōu)點(diǎn)是,它們可以放置在遠(yuǎn)離預(yù)期陰極的位置,或者位于結(jié)構(gòu)橫向的遠(yuǎn)程接地床中,或者位于其下方的深井中。
除了陽(yáng)極定位之外,還有一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以告訴你在陰極保護(hù)系統(tǒng)中是選擇使用電化學(xué)陽(yáng)極還是外加電流陽(yáng)極。電化學(xué)系統(tǒng)用于低電阻率的電解質(zhì)中,對(duì)電流的要求不是很高。電化學(xué)系統(tǒng)一般最大輸出200毫安培。同樣重要的是,任何需要電化學(xué)保護(hù)的系統(tǒng)都是電絕緣的。與其他結(jié)構(gòu)或接地系統(tǒng)的短路會(huì)使電化接地陽(yáng)極的消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用壽命。
外加電流系統(tǒng)有著廣泛的用途。用于需要保護(hù)較長(zhǎng)的管道線路,較大的結(jié)構(gòu),或有大電流需求的結(jié)構(gòu)。接地或短路至其他大型金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)將需要外加電流系統(tǒng)。。在高電阻率環(huán)境中的陰極,如果電化學(xué)系統(tǒng)不能傳導(dǎo)足夠的電流來(lái)提供足夠的保護(hù),也需要選擇外加電流。外加電流系統(tǒng)的電流輸出范圍很廣,有些系統(tǒng)可以傳導(dǎo)超過(guò)數(shù)百安培的電流。這些系統(tǒng)通常能保護(hù)海水浸泡環(huán)境中的結(jié)構(gòu),如橋梁或船體。
使用陰極保護(hù)的好處之一是,運(yùn)營(yíng)商和第三方承包商可以很容易地使用AMPP規(guī)定的量化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量系統(tǒng)的功效。有許多標(biāo)準(zhǔn)最初是由NACE(組建AMPP的兩家公司之一)制定的,以管理有效的陰極保護(hù)系統(tǒng)。其中包括控制埋地管道的SP0169-2013,控制地上儲(chǔ)罐底部的SP0193-2016,以及控制混凝土中鋼筋的SP0408-2019。一般來(lái)說(shuō),與腐蝕性電解質(zhì)接觸的鋼結(jié)構(gòu)需要滿足兩個(gè)規(guī)則中的一個(gè)。
對(duì)硫酸銅電極(CSE)的極化電位測(cè)量值為850 毫伏
極化電位100 毫伏或比自由腐蝕電位或“自然”電位更負(fù),其中結(jié)構(gòu)的“極化”電位是指施加陰極保護(hù)且沒(méi)有其他外部電壓影響的電位,而自由腐蝕電位是指完全沒(méi)有施加陰極保護(hù)的電位。
測(cè)試的規(guī)定因結(jié)構(gòu)和管理主體而異。然而,根據(jù)美國(guó)交通部的規(guī)定,運(yùn)載危險(xiǎn)材料的結(jié)構(gòu)必須每年對(duì)其陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,當(dāng)前的測(cè)試日期不得超過(guò)上次測(cè)試日期的15個(gè)月。
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