阴极保护原理讲解（腐蚀防护之阴极保护）

1824年：Davy为防止船舶的铜外装板在海水中的腐蚀发明了使用用比铜更易离子化的Zn或铁与之局部接触的方法，这就是今天电化学防蚀法的开始。实际使用中由于在防蚀面上附着海草及海生物（如甲壳类等）未能广泛应用使之沉睡了一百年，到20世纪初，在美国地下管线发展又重新使用了这一技术。

一、电化学保护

对被保护金属施加直流电，通过电化学极化使其电极电位移至特定的区域，从而抑阻金属腐蚀的保护方法称为电化学保护。

电化学保护技术是防腐蚀工程技术中一种广泛应用、经济有效的腐蚀控制技术。能有效地防护电化学本质的金属腐蚀。

电化学保护技术包括两类：阴极保护和阳极保护。

二、阴极保护原理

对被保护金属施加负电流，通过阴极极化使其电极电位负移至金属氧化还原反应的平衡电位，从而抑阻金属腐蚀的保护方法称为阴极保护。这是一种控制金属电化学腐蚀的电化学保护方法。是一种基于电化学腐蚀原理而发展的电化学保护技术。

铁和锌浸在HCl溶液中[图1(a)]，铁和锌分别独立地遭受腐蚀，发生以下化学反应：

Fe → Fe2 2e（铁的腐蚀）

Zn → Zn2 2e（锌的腐蚀）

2H 2e → H2（在铁上和锌上）

铁和锌浸在HCl溶液中[图4-1(b)]，从外部电连接，形成了腐蚀原电池，发生以下化学反应：

Fe → Fe2 2e（减缓甚至停止）

Zn → Zn2 2e（加速）

2H 2e → H2（主要在铁上）

铁和锌浸在HCl溶液中[图4-1(c)]，从外部施加直流电，形成一个电解电池，发生以下化学反应：

Fe → Fe2 2e（减缓甚至停止）

2H 2e → H2（主要在铁上）

2H2O → O2 4H 4e （石墨上）

2Cl- → Cl2 2e （石墨上）

阴极保护的原理实质上就是利用电化学的阴极极化原理。阴极保护过程中对被保护结构物施加的是负电流，即阴极性电流，所发生的电化学极化是阴极极化。

关于极化的表述：

（1）由于电流通过电极/电解质界面，使电极电位相对于初始电位发生的变化，这种现象称之为极化。

（2）当阴极性电流从电解质进入金属时在界面处发生了还原反应。这些反应的产物改变了在结构物/电解质界面处的电解质化学成分和状态。这种在界面处发生的化学差异和变化称作为极化。

当阴极保护电流断开，极化就会消失，这类似于一个电容器的电压消失（放电现象）这种现象称为去极化。

但由于生成反应产物改变了金属界面原先状态，该金属/电解质体系决不会由于去极化而回复到原先的自然电位。

三、牺牲阳极法阴极保护

根据对被保护结构物提供电流的方式不同，区分为两种阴极保护方法：牺牲阳极法阴极保护和外加电流法阴极保护。

将一种其电极电位比被保护金属更负的活泼金属（合金），与共同置于电解质环境中的被保护金属从外部实现电连接。从而对被保护金属实现牺牲阳极法阴极保护。

在构成的电化学原电池中，这种负电位得活泼金属作为阳极而优先腐蚀溶解，故称之为牺牲阳极。释放出的电子使被保护金属产生阴极极化。抑阻了被保护金属的腐蚀过程，由此实现阴极保护。

构成了一个电化学原电池系统，电流回路：钢管-金属导线-镁阳极-回填料-土壤-钢管，在钢管/土壤界面和镁阳极/土壤界面发生了电子导电和离子导电的转换，这种转换是通过界面电化学反应来实现的。

技术优点：

（1）不需要外部电源

（2）对邻近构筑物的杂散电流干扰很小或无

（3）对小型工程的保护成本很低

（4）保护电流分布均匀

（5）阳极输出电流具有一定的自调节能力

（6）在低电阻率环境中运行工作很好

（7）施工安装简单，维护管理方便或无需维护

（8）兼具排流、防雷及防静电的作用

技术局限性：

（1）在高电阻率环境中慎用，过高电阻率环境中则不宜使用

（2）系统保护电流小，一般不适用于大型工程

（3）通常要求被保护结构物表面有涂覆层

（4）大量消耗有色金属，且工作寿命较短，但若干年后可更换

四、外加电流阴极保护

利用外部电源对被保护金属施加一定的负电流，以使其通过阴极极化而达到规定的保护电位范围，从而对被保护金属实现外加电流法阴极保护。

抑阻被保护金属的腐蚀过程，实现阴极保护。

构成了一个电化学电解电池系统，电流回路：电源（负极）-金属导线-钢管-土壤-辅助阳极-金属导线-电源（正极），在钢管/土壤界面和辅助阳极/土壤界面发生了电子导电和离子导电的转换，这种转换是通过界面电化学反应来实现的。

技术优点：

（1）系统槽压大（功率大），可输出大保护电流

（2）保护范围大，适用于大型工程

（3）适用于任何电阻率的环境介质

（4）保护电流和电压可连续调节

（5）这种保护装置的服役寿命长

（6）用于大型工程时保护成本很低

技术局限性：

（1）系统结构较复杂，必须要有外部电源，其管理维护工作量大

（2）可对邻近构筑物产生严重杂散电流干扰

（3）很大的工作槽压宜使高强钢过保护导致氢脆，也可使涂覆层产生阴极剥离

（4）在被保护结构物上的电流分布不均匀

（5）系统的初次投资较大，日常供电成本较高

五、阴极保护的主要参数

最小保护电位，在阴极保护技术中，被保护金属开始获得完全阴极保护的起始电位。

（1）比最小保护电位更正，金属将达不到完全保护的阴极保护水平

（2）判断金属保护效果的一个最关键参数

（3）监视、控制保护效果的一个最重要参数

（4）测量和调整阴极保护系统正常运行的重要参数

保护电位范围，在一定条件下，有的体系还存在一个允许的最大保护电位（最负保护电位），最小保护电位和最大保护电位一起构成了一个保护电位范围，是判定阴极保护有效性的依据。

最小保护电流密度，在阴极保护技术中，为达到最小保护电位所需施加的阴极极化电流密度。

只有施加的保护电流密度大于最小保护电流密度，才能实现有效的保护电位。是用以降低金属腐蚀、调整和控制保护电位的关键参数，是在阴极保护设计时使用的重要参数。

在阴极保护技术中，如果施加过多的阴极保护电流就可能显著超过阴极保护判据，从而导致产生过保护现象，可能造成的危害是:

（1）过保护可使防腐层剥离

（2）可使基体金属发生氢脆

（3）可使两性金属由于高碱度而遭受损伤

（4）过多地耗费电能

（5）增大设备容量

六、阴极保护判断依据

保护电位是判断和评价阴极保护对金属产生保护效果的最关键参数，最小保护电位是最重要的阴极保护判据。对不同金属材料在各种环境介质中的阴极保护体系，各国规定了要求达到的最小保护电位，以此作为阴极保护判据。

美国NACE标准，NACE SP0169，对钢铁结构物。

（1）施加阴极保护时的负（阴极的）电位至少为-850mV(CSE)—通电电位。

（2）相对于CSE的负极化电位至少为-850mV (CSE)—断电电位。

（3）阴极极化值至少为100mV—极化的形成或衰减。

德国DIN标准—DIN 30676，对碳钢、低合金钢。

（1）确认了-0.85V(CSE)这一经典指标

（2）在某些特殊条件下，应为-0.95V(CSE)或-0.75V(CSE)

（3）规定了不锈钢、其他合金的判据

（4）规定了Cu、Sn、Al、Pb、Zn等的判据

（5）规定了最大保护电位

英国BS标准—BS 7361，规定了对钢和铁、铅、铝、铜合金在土壤、淡水、海水中的判据。

（1）给出了有氧环境和无氧环境中的判据

（2）给出了相对不同参比电极的判据值

（3）对铝给出了最小保护电位和最大保护电位

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