阴极保护

电化学保护技术

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。

定义

阴极保护：为了防止通信线路或设备被腐蚀，而使被保护的设备对地保持负电位的一种防腐蚀措施。

中文名：阴极保护

外文名：Cathode Protection

别称：无

应用学科：信息通信

特点：腐蚀、负电位、防腐蚀措施

原理

阴极保护的原理是在线缆的金属外皮上人为接入负电位，在一定距离之外的电极上接正电极，确保线缆的金属外皮对地具有负电位。这样就不会出现电流通过线缆的外皮向外流出的现象，这样会起到保护线缆外皮的作用。如图1所示。

图1 阴极保护原理

设备

阴极保护使用的场合较多，它通常由一个电源变压器和一个桥型整流器组成。阴极保护的电压是可以调节的，使用的电源负荷较大。它把交流220 V电源通过变压器和整流电路变成直流，将负电极接至金属外皮，正电极接地，确保线缆外皮对地保持适当的负电位，这样线缆的金属外皮就不容易受到腐蚀了。

阴极保护设备如果不用交流电，也可以用直流电池供电。但注意阴极设备应安装在线缆外皮平均正电位最高的地点。

如上图，阴极保护设备接地的正电极有大量的电流流出，如果采用金属接地体，这会消耗很大；通常采用石墨电极作为接地体。

我们在术语“线路防蚀”中还提到阳电极的保护方法，这种防腐蚀措施的原理和阴极保护的原理是一致的。但阳电极的方法不需要电源。将阳电极与线缆金属外皮相连并埋在地下，阳电极的电位高于线缆外皮电极的电位，它与电缆外皮构成原电池，由阳电极流向电缆外皮的电流，可以抵消电缆外皮流出的电流，这样阳电极就代替线缆的金属外皮受到腐蚀，“李代桃僵”通过牺牲阳电极的方式保护了电缆，大家应该知道，阳电极为何也称为“牺牲电极”了吧。

英文翻译

Cathodic Protection

工作原理

金属—电解质溶解腐蚀体系受到阴极极化时，电位负移，金属阳极氧化反应过电位ηa 减小，反应速度减小，因而金属腐蚀速度减小，称为阴极保护效应。利用阴极保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护。

由外电路向金属通入电子，以供去极化剂还原反应所需，从而使金属氧化反应(失电子反应)受到抑制。当金属氧化反应速度降低到零时，金属表面只发生去极化剂阴极反应。

两种阴极保护法：外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。

1、牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低土壤电阻率环境下（土壤电阻率小于100欧姆.米）的金属结构。如，城市管网、小型储罐等。根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，认为牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年，最多5年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。

2、外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，使被保护金属结构电位低于周围环境。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如：长输埋地管道，大型罐群等。

阴保方式

检查测试

1.所有强制电流电源每两月检查一次，间隔长一些或短一些也可能是合适的。运行正常的判据是：电流输出、正常的功耗、表示正常运行的信号或管道上令人满意的阴极保护水平。

2.作为预防性维护计划的一部分，为最大限度地减少使用中的损坏，所有强制电流保护设施应每年检查一次。检查内容包括电气故障、安全接地的连接点、仪表的精度、效率及回路电阻。

3.反向电流开关、二极管、干扰跨接和其他保护装置等，如果失效可能危及构筑物的保护，其正常的功能检查应每两个月一次。

4.应定期检查并评价绝缘接头、电连续性跨接及套管绝缘的有效性，可通过电测量完成。

具备条件

在采用阴极保护时，应具备以下条件：

1.被保护构筑物必须是可导电的金属件，且具有足够低的纵向导电率；

2.与低欧姆的接地装置不得有金属导电性连接；

3.容器和管道均应具有足够电阻率的防腐层。

注：随着防腐层电阻的增大，保护电流密度相应地降低，越加有利于电流均匀分布，扩大保护范围。当保护电流密度增大时对外部装置的干扰影响也增加。

若管道建在或运行在高压电装置附近，就必须遵循Akf第三号推荐标准。若考虑到防爆和放接触电压，需要与接地的外部设备进行电连接或者这类连接决不可被取消，这是应按照Afk第九号标准推荐采用局部阴极保护技术。

发展历史

阴极保护技术已经发展成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物等的腐蚀控制。

1834年——法拉第→阴极保护原理奠定基础

1890年——爱迪生→提出强制电流保护船舶

1902年——柯恩→ 实现了爱迪生的设想

1905年 ——美国用于锅炉保护

1906年 ——德国建立第一个阴极保护厂

1913年 ——命名为电化学保护

1924年 ——地下管网阴极保护

局部保护

总述

常用阴极保护的基本原则是将受保护的构筑物与所有低接地电阻的装置实现电分离。但是，这在工业装置上是个很大的技术难题，因为管子非常多，管径相当大。要将它们实现电分离不仅费用昂贵，而且在正常使用中，它们可能与外部装置电接触或绝缘接头跨接，容易产生很多问题。在管道系统改造或扩建过程中，这个问题尤为突出。在爆炸危险的装置和输送电解液的管道上实施阴极保护也存在技术难题。如果用大口径管道输送低电阻率的电解质，那么在绝缘接头未受保护一侧，就会有被阴极保护电流引发内腐蚀的危险。

在工业装置上管道的腐蚀危险一般比长输管道中的腐蚀危险大，因为在大多数情况下，管道会与钢筋混凝土基础形成腐蚀电池。在不同种类的工业装置区域内能够利用区域阴极保护来克服这种腐蚀危险，所用方法类似于局部阴极保护的方法。受保护的区域是没有限制的，也就是说管道与连接的和分支的管道之间是没有电绝缘的。

目的

局部阴极保护的目的不仅是要补偿外部阴极构筑物的电池电流，而且要使被保护的构筑物充分阴极极化，从而满足阴极保护准则要求。因为被保护的构筑物与外部阴极构筑物之间的接触电阻非常低，并且外部阴极构筑物的接地电阻非常低，所以不成比例的大部分阴极保护电流要流到外部阴极上。设置强制电流辅助阳极地床的目的就是要增加被保护的构筑物的保护电流分量。除了受保护的构筑物与外部阴极构筑物的几何尺寸外，土壤的电阻率对其有很大影响。与常规阴极保护不同的是，受保护的构筑物基本上是在强制电流辅助阳极的电压锥范围内。为此，考虑到各个组成部分不同的保护电流需要量，所以不能把土壤当做一个等电位空间来看待。在局部阴极保护中管地电位的变化只与附近的参比电极有关系，而与远方大地电位少有联系。

特点

由于土壤条件的差异以及与混凝土中钢筋阴极形成腐蚀电池，加剧了工业装置中埋地设施的腐蚀危险。这些外部阴极的静电位介于U=-0.2~-0.5V之间。影响电池形成的因素有水泥的类型、混凝土的水灰比、混凝土的充气状态等。电池电流密度取决于很大的阴极面积。在工业装置上，混凝土中钢的表面积通常大于10000平方米。

为了使所有管子受到全面的阴极保护，外部阴极构筑物必须极化达到保护电位，即在外部阴极构筑物附近的Uon必须肯定比Us更负。与此相比，受保护的构筑物的阴极保护电流需要量小的可以忽略不计，在工业装置中保护电流需要量一般都超过100A。

腐蚀简介

1）重要性

1972年，美国NACE协会估计每年损失是100亿美元，1976年BMR研究所调查每年损失接近700亿美元。美国国会非常震惊，对此要求贸易部进行证实，1982年发表的数据是每年损失126亿美元。考虑到国家高速公路、水、废水、废气、地下储罐、因腐蚀造成的污染，每年的损失是3000亿美元，占GDP的5%。1998年，我国工程院历时3年对全国的腐蚀进行调查，调查结果表明我国腐蚀造成的损失达5000多亿元。

2）腐蚀原因

金属是从矿石中提取出来的，在提炼过程种必须要给它一定的能量，使其处于高的能量状态。材料基本规律总是趋向于最低的能量状态，因此金属都是热力学不稳定的，具有和周围环境（如氧和水）发生反应的趋势，以达到较低的、更稳定的能量状态，如生成氧化物。以铁为例：阳极：Fe-2e→Fe2+ 阴极：O2+4e+2H传钯4OH- Fe2++2OH-→Fe(OH)Fe(OH)2+1/2O+H传钯二Fe(OH)锭

3）腐蚀倾向

对于所有的金属的腐蚀倾向理论上采用电位的概念进行比较。电位负的金属，活性较强，容易发生腐蚀。电位正的金属活性相对较弱，腐蚀倾向性小。

4）控制措施

多年的实践证明，最为经济有效的腐蚀控制措施主要是覆盖层(涂层)加阴极保护。与国外相比，我国75%的防蚀费用用在涂装上，而电化学保护使用的相对较低。

5）施加涂层后，为什么还会腐蚀

涂层的作用主要是物理阻隔作用，将金属基体与外界环境分离，从而避免金属与周围环境的作用。但是有两种原因会导致金属腐蚀。一是涂层本身存在缺陷，有针孔的存在；二是在施工和运行过程中不可避免涂层会破坏，使金属暴露于腐蚀环境。这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速。

技术简介

阴极保护技术有两种：牺牲阳极阴极保护和强制电流（外加电流）阴极保护。

1）牺牲阳极阴极保护技术

牺牲阳极阴极保护技术是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属。优点： A: 一次投资费用偏低，且在运行过程中基本上不需要支付维护费用 B: 保护电流的利用率较高，不会产生过保护C: 对邻近的地下金属设施无干扰影响，适用于厂区和无电源的长输管道，以及小规模的分散管道保护 D: 具有接地和保护兼顾的作用 E: 施工技术简单，平时不需要特殊专业维护管理。缺点： A: 驱动电位低，保护电流调节范围窄，保护范围小 B: 使用范围受土壤电阻率的限制，即土壤电阻率大于50Ω.m时，一般不宜选用牺牲阳极保护法 C: 在存在强烈杂散电流干扰区，尤其受交流干扰时，阳极性能有可能发生逆转 D: 有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制，需要定期更换

2）强制电流阴极保护技术

强制电流阴极保护技术是在回路中串入一个直流电源，借助辅助阳极，将直流电通向被保护的金属，进而使被保护金属变成阴极，实施保护。优点： A: 驱动电压高，能够灵活地在较宽的范围内控制阴极保护电流输出量，适用于保护范围较大的场合 B: 在恶劣的腐蚀条件下或高电阻率的环境中也适用 C: 选用不溶性或微溶性辅助阳极时，可进行长期的阴极保护 D: 每个辅助阳极床的保护范围大，当管道防腐层质量良好时，一个阴极保护站的保护范围可达数十公里 E: 对裸露或防腐层质量较差的管道也能达到完全的阴极保护缺点： A: 一次性投资费用偏高，而且运行过程中需要支付电费 B:阴极保护系统运行过程中，需要严格的专业维护管理 C: 离不开外部电源，需常年外供电 D：对邻近的地下金属构筑物可能会产生干扰作用

效果判据

1）普通钢阴极保护准则

◆施加阴极保护时被保护结构物的电位负移至少达到-850mV或更负(相对饱和硫酸铜参比电极CSE)。 ◆相对于饱和硫酸铜参比电极的负极化电位至少为850mV。 ◆在构筑物表面与接触电解质的稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV。 ◆存在硫酸盐还原菌的环境，被保护结构物的电位负移至950mV(CSE)或更负。

2）铝合金阴极保护准则

◆构筑物与电解质中稳定参比电极之间的阴极极化值最小为100mV，准则适用于极化建立或衰减过程。 ◆极化电位不应负于-1200mV（CSE）。

3）铜合金阴极保护准则

◆构筑物与电解质中稳定参比电极的阴极极化值最小为100mV。极化建立或衰减过程均可以被应用。

4）异种金属阴极保护准则

◆所有金属表面与电解质中稳定参比电极之间的负电压等于活性最强的阳极区金属的保护电位。

5）高强钢阴极保护准则

◆700MPa以上的钢腐蚀速率降低至0.0001mm/a的保护电位为-760～-790mV(Ag/AgCl)。 ◆在存在硫酸盐还原菌的环境下，钢屈服强度大于700MPa，保护电位应在800-950mV(Ag/AgCl)的范围内。 ◆屈服强度大于800MPa的钢，其保护电位应不低于-800mV(Ag/AgCl)。

技术问答

1）什么是强制电流阴极保护系统？

强制电流阴极保护系统又称为外加电流系统，是在被保护结构周围同一电解质环境中埋设辅助阳极，通过一直流电源以辅助阳极为阳极，以被保护结构为阴极，构成供电回路，将直流电通向被保护的金属，使被保护金属强制变成阴极以实施阴极保护。

2）什么是牺牲阳极阴极保护系统？

牺牲阳极法是用一种电位比所要保护的金属还要负的金属或合金与被保护的金属电性连接在一起，依靠电位比较负的金属不断地腐蚀溶解所产生的电流来保护其它金属的方法。

3）强制电流阴极保护系统的组成有什么？

强制电流阴极保护系统主要由电源、控制柜、辅助阳极、焦炭（碳素）填料、电缆、控制参比电极、电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片、电绝缘装置、电绝缘保护装置。

4）电源的作用是什么？

电源的作用是向阴极保护系统不间断提供电流。电源主要有恒流、恒压整流器、恒电位仪。

5）电源的类型主要有哪几种？

从整流形式上主要有可控硅、磁饱和、数控高频开关。可控硅和磁饱和恒电位仪体积较大、纹波系数较大、控制精度较差，效率较低(低于70%)不易实现数字化。磁饱和恒电位仪除了上述不足外，额定功率20%以下的输出无法控制。数控高频开关恒电位仪体积较小、纹波系数小、控制精度高、效率较高（90%以上）。

6）辅助阳极的作用是什么？

辅助阳极的作用是通过介质(如土壤、水)与管道之间形成电回路。通过在阳极表面发生电化学反应，不断向阴极结构提供电子，从而使阴极极化到保护电位。

7）辅助阳极的种类有多少?

辅助阳极根据有废钢、硅铁、石墨、混合氧化物阳极、柔性阳极、贵金属电极等。

8）控制参比电极的有那些？

控制参比电极主要有长寿命饱和硫酸铜参比电极、高纯锌参比电极、银/氯化银参比电极、二氧化钼参比电极。土壤中可使用饱和硫酸铜参比电极和高纯锌参比电极，水介质中使用高纯锌参比电极和银/氯化银参比电极。二氧化钼参比电极主要用于混凝土中。饱和硫酸参比电极的寿命一般小于10年。其它的参比电极可以根据寿命来设计。

9）为什么需要采用电绝缘？

在阴极保护技术中，要求被保护结构需要电绝缘，主要是由于如果不绝缘，保护电流会流失到未被保护的金属构筑物上，设计的电流需求量可能不足，保护效果不理想，另外，可能会产生杂散电流的干扰。电绝缘要根据结构的实际情况进行考虑。

10）测试桩的作用是什么？

测试桩的作用主要是用于检测阴极保护效果和运行参数。根据作用不同有电位测试桩、电流测试桩、保护效果测试片测试桩桩。

11）牺牲阳极阴极保护系统的组成有什么？

土壤中，牺牲阳极阴极保护系统主要有牺牲阳极、填包料、和测试桩组成。水环境中，除导线连接外，牺牲阳极也可直接焊接到被保护结构上。

12）牺牲阳极主要有那些？

对于钢铁来说牺牲阳极主要有镁合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极、锌合金牺牲阳极。镁合金牺牲阳极主要应用于高电阻率的土壤环境中。铝合金和锌合金主要用于水环境介质中。锌合金也可用于土壤电阻率小于5Ω?m的环境中。

对于其它金属来说，活性较高的金属都可以用作它的牺牲阳极，如用铁作为牺牲阳极来保护铜。

运行维护

1）阴极保护投入前的准备和验收

阴极保护投入前应该对被保护管道进行检查。没有绝缘就没有保护，在施加阴极保护电流之前，必须确保管道各项绝缘措施正确无误，管道表面防腐层应无漏敷点，被保护管道应具有连续性的导电性能。

2）阴极保护站的日常维护管理

检查各电气设备电路连接的牢固性，安装的正确性，电器元件是否有机械障碍。检查配电盘上熔断器的保险丝是否按规定接好。观察电器仪表，在专用的表格上记录输出电流、通电电位数值，与之前的记录对照是否有变化。定期检查工作接地和避雷器接地，并保证其接电电阻不大于10欧姆。搞好站内设备的清洁卫生，注意保持室内干燥，通电良好，做好通风，防止仪器过热。

3)牺牲阳极的维护

1、管道牺牲阳极的保护日常维护工作不多，除按外加电流阴极保护的要求进行保护电位测量，测试桩维护保养，绝缘接头检测，接地故障排除等工作外，建议每年测定各参数。据此分析管道保护状况。若样机性能变坏，则需采取相应的措施。

2、在年度检测时，可以测量牺牲阳极的输出电流，修复断开的电缆。

3、如果阳极输出电流明显减小，而阳极并没有达到其寿命，阳极电缆短路是常见的原因。可以将电流表串联在阳极电缆中测量阳极输出电流，也可以在阳极电缆中串联一支0.1Ω的电阻，通过测量该电阻上的电压降，计算阳极电流输出。

4、阳极的接地电阻为阳极开路电位减去阳极闭路电位再除以阳极输出电流。

4）阴极保护系统常见故障分析

1、管道绝缘不良，漏电故障的危害

在阴极保护站投入运行，或牺牲阳极保护投产一段时间后，出现了在规定的通电点位下，输出电流增大，管道保护距离却缩短的现象或者在牺牲阳极的系统中，牺牲阳极组的输出电流量增大，其值已超过管道的保护电流需要，但保护点位仍达不到规定的指标的现象。称之为印记保护管道漏电。

2、造成漏电的原因

施工不当、绝缘接头失效或漏电、金属套管穿越处、管道与接地网短路。

3、如何判断管道与接地网短路

判断接地极与管道是否短路，可采用测量电位的方式。利用参比电极分别测量管道和接地极的电位，短路的接地极电位和管道电位是一样的。或测量接地极及管道的之间的电位差，如果两者之间电位为零，则可以判断，接地网与管道短路。

4、防腐层漏电点的查找

利用DCVG查找管道防腐层破损点，从而确定管道的漏电点或短接点的方法。此方法首先将脉冲信号送到被测管道上，如果管道防腐层良好，流入管道的电流很弱，仪表没有显示。如果管道防腐层有破损，电流将从土壤中通过破损处漏入管道，电流的流动会在周围土壤中产生明显的电位梯度。当探测人员手持两个参比电极在管道正上方探测行走时，伏特计奖明信的抖动，当伏特计指针停止抖动时，两个参比电极的中间即为防腐层漏点位置。

5)管道沿线近间距电位测量

通常采用在测试桩上测量点位的方式来检查阴极保护系统工作状况，采用这种方式，即便管道涂层出现漏点，如果该漏漏点距离测试桩较远，就很难通过测试桩电位测量来发现。因此，电位测量建和越近，测量结果越嫩反应管道阴极保护的实际情况。为了消除IR降，在阴极保护电路中装中短器，所有与被检测管道相连的电源都要同时通断，从而测量袋管道的通、断电位。

6)管道防腐层老化检测

电磁法可以反应防腐层的总体状况，管道埋深以及涂层缺陷位置。其原理是给管道输入一个电压信号，检测器沿管道检测信号的衰减程度。在防腐层均匀的情况下，信号的衰减呈平滑的曲线，当信号有突然的衰减时，说明该管道上有涂层漏点。

7)阴极保护系统中维护种的安全问题

再去工地的路上，不论是乘车、乘船、乘飞机，都要注意安全。野外测量时，注意毒蛇、猛兽的袭击。在整流器上工作时，断开面板上的开关不代表对设备内部进行操作就安全。应该断开交流电源，并安装安全锁及标签。接触整流器前要用电笔试一下外壳是否带电。

基本知识

阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段。美国腐蚀工程师协会（NACE）对阴极保护的定义是：通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较低的电位而使腐蚀速率降低。牺牲阳极阴极保护就是在金属构筑物上连接或焊接电位较负的金属,如铝、锌或镁。阳极材料不断消耗,释放出的电流供给被保护金属构筑物而阴极极化，从而实现保护。外加电流阴极保护是通过外加直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构。

保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电位。实践中，钢铁的保护电位常取-0.85V（CSE），也就是说，当金属处于比-0.85V（CSE）更负的电位时，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽略。

阴极保护是一种控制钢质储罐和管道腐蚀的有效方法，它有效弥补了涂层缺陷而引起的腐蚀，能大大延长储罐和管道的使用寿命。根据美国一家阴极保护工程公司提供的资料，从经济上考虑，阴极保护是钢质储罐防腐蚀的最经济的手段之一。

发展现状

阴极保护行业在国内的发展已日趋成熟，随着行业及国家标准的日趋完善，阴极保护专业技术与实际性能也越来越被长输管线及储油罐大型项目的投资者所青睐，过去投资过的项目通过几年的检测与评估确实达到了良好的效果。怎样做到投资与效果统一，必须做到设计现场实际测量考察且选择知名度较高、技术过硬的阴极保护厂家。

国内做阴极保护设计过硬的设计院：廊坊管道局设计院、中国石油西南设计院、胜利油田设计院、华北设计院等。

国内知名度较高的阴极保护厂家：

青岛的七二五所、福建三明无线电二厂、山东奥科防腐、河南第一防腐、天津管道防腐、河南中兴防腐等。

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