,第6章 防腐方法,过程装备腐蚀与防护,6.1 电化学保护 6.2 衬里 6.3 防蚀结构设计 6.4 其他防腐方法,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,金属与非金属材料覆盖层目前工程中应用最广泛。金属覆盖层 可分为：金属衬里、金属镀层、复合金属板等。非金属覆盖层 可分为：衬里、搪瓷、搪玻璃、涂料、联合覆盖层 。电化学保护：阴极保护和阳极保护。防腐蚀结构设计介质处理：包括在腐蚀介质中添加缓蚀剂。,防腐的方法,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,一、阴极保护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a 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 。即：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的平稳电位，从而抑阻金属腐蚀的保护方法称为阴极保护。,阴极保护的概念,第6章 防腐方法,1.阴极保护原理(1) 阴极保护的类型外加电流阴极保护 将被保护金属设备与直流电源的负极相连，依靠外加阴极电流进入阴极极化而使金属得到保护的方法，称为外加电流阴极保护，简称电保护。,阴,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,外加电流阴极保护则是利用外部电源对被保护体施加阴极电流，为其表面上进行的还原反应提供电子，从而抑阻被保护体自身的腐蚀过程。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,油田油水分离器分离成气（上部）、原油（中部）、水（下部，占分离器一半的液位）的重要设备。但分离器内部结构复杂，油田采油开发后期油井平均含水率在85左右，故分离器内底部一半以上的部位处在分离出的污水介质中，腐蚀问题非常严重。 以前对分离器内壁一般采用牺牲阳极阴极保护方法，但分离器内壁温度较高，内壁沉积水的成分复杂，水质有可能呈酸性或碱性。所以牺牲阳极保护年限较短，一般不到半年即消耗完。牺牲阳极保护还存在保护死角。另一方面，牺牲阳极阴极保护电位无法测量，保护电流无法调节，保护年限的长短无法预知。,油水分离器内壁的外加电流阴极保护方法。以钛基管状混合金属氧化物阳极为辅助阳极固定在分离器底部的水相中一定高度的支架上，采用银/氯化银参比电极或高纯锌参比电极。本方法安装方便，使用寿命长（可达10年以上），保护电位均匀，保护电流输出可调。,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,为延长长输管道的使用寿命和保证管道的安全运行，长输管道必须实施阴极保护。长输管道被保护的部分包括：长输管道首站入地点至末站出地点所有埋地部分的钢质管道、阀门、大型管道穿越部分等。长输管道一般采用外加电流保护，分设若干个阴极保护站，特殊地质条件需要牺牲阳极进行辅助保护。,第6章 防腐方法,外加电流阴极保护的特点： 适用于长输管线和区域性管网的保护 输出电流大，一次性投资相对较大安装工程量较小，可对旧管道补加阴极保护 运行期间需要专业人员维护 容易实现远程自动化监控,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,牺牲阳极保护在被保护金属设备上连接一个电位更负的强阳极，促使阴极极化，这种方法叫做牺牲阳极保护，也称护屏保护。在土壤等电解质环境中，牺牲阳极因其电极电位比被保护体的更负，当与被保护体电连接后将优先腐蚀溶解，释放出的电子在被保护体表面发生阴极还原反应，抑阻了被保护体的阳极溶解过程，从而对被保护体提供了有效的阴极保护。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,舰船的阴极保护从包括所有附着物和敞开处在内的水下部位的外防护，到各种船舱管路和船舭的内防护。 水线以下部位的阴极保护：根据受保护的范围大小，应当区别对待舰船水下部位的完全保护与局部保护 实施局部保护时，只有船尾受保护，由于水流速度很快，处于充气状态，并在螺旋桨和舵等附件上形成腐蚀电池，所以特别危险，局部保护也可延伸到船头，但船头同样处于高水流速度的影响之下。,在船头和船体中部，覆盖层被机械损坏的事情常有发生，所以，舰船采用牺牲阳极或强制电流方法实施完全保护变得越来越重要了，将牺牲阳极安装在舭龙骨（船底和船侧间的弯曲部分，起平衡稳定作用）上一点问题都没有，它的保护范围可以扩大到螺旋桨和舵等附件上，或者可以根据船的设计和保护方法螺旋桨和舵等附件分别实施阴极保护。,第6章 防腐方法,牺牲阳极保护的特点： 适用范围广，尤其是中短距离和复杂的管网； 阳极输出电流小，发生阴极剥离的可能性小； 随管道安装一起施工时，工程量较小； 运行期间，维护工作简单； 阳极输出电流不能调节，可控性较小。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,两种保护方法的优缺点外加电流保护法 优点 输出电流连续可调，可满足较大的保护电流密度要求 不受环境电阻率限制 工程越大越经济 对管道防腐覆盖层质量要求相对较低 保护装置寿命长,问题,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,缺点 需要可靠外部电源对临近金属构筑物干扰大，特别是铺助阳极附近 需设阴极保护站，日常进行维护管理 在需要较小电流时，无法减少最低限度的装置费用,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,牺牲阳极保护法 优点 不需要外部电源 对临近金属构筑物干扰小 管理维护工作量小 工程费用与保护长度成正比 保护电流分布均匀，利用率高。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,缺点 高电阻环境不宜使用 保护电流不可调 对覆盖层质量要求高 消耗有色金属，需定期更换 杂散电流干扰大时不能使用,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,(2)电保护和护屏保护的区别：相同点：阴极保护的原理相同，不同点：被保护金属阴极极化而输入的阴极电流，前者靠外加直流电源，后者靠另一个电位更负的金属的腐蚀溶解。 可从电极反应、极化曲线和极化图以及电位-pH图等诸方面理解阴极保护原理。下面我们试着用极化图来理解。,问题,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,当外加阴极电流后，金属的腐蚀电位将向负方向移动，同原来的EC移至EA1，此时金属的腐蚀电流就由IC降到IA1，其外加阴极电流称为保护电流I保，为：,若继续增大外加阴极电流，由于E=E0A，则金属上的阴极溶解电流IA=0，表示微电池腐蚀停止，即金属得到了完全保护。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,2. 阴极保护的基本参数最小保护电流密度很难直接测量达到完全保护时所需的最小电流值称为最小保护电流，若以电流密度计量，就称为最小保护电流密度。最小保护电位工业常用在阴极保护下，当金属刚好完全停止腐蚀时的临界电位称为最小保护电位。最小保护电流密度和最小保护电位是衡量阴极保护是否完全的两个基本参数，都得通过实验确定。表6-1列出钢铁在一些介质中的最小保护电流密度值。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,3. 阴极保护技术的设计要点(1)确定合理的保护度阴极保护的保护效果以保护度Z表示：,一般阴极保护的效果随着外加电流的增大而增高，但是并非按比例提高。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,确定保护电流密度时应考虑的因素： 从保护效果来讲，Ep越负越好。 析氢反应的影响。析氢是使极化电流密度迅速增大，保护效益降低；析氢还可能造成对设备金属材料的危害，如氢脆问题，以及对金属表面涂层的破坏。 当电流密度增大到一定值时，其保护度反而有所下降，即产生了“过保护”现象。,第6章 防腐方法,为什么会产生“过保护”现象呢？原因：由于过大的保护电流密度所对应的较负的保护电位下，金属表面的氧化膜被还原(如铁、不锈钢等)，或者作为阴极的被保护金属表面因发生析氢过程，而使周围溶液中的OH-浓度增高，加速了金属腐蚀(如两性金属铝等可能发生这种情况)。 结论：采用阴极保护时，并非任何场合都要求达到完全保护，其保护度应根据被保护设备使用寿命与经常性消耗费(电能或护屏的消耗)等进行综合经济核算后确定。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,(2) 阳极材料的选择护屏保护阳极材料对保护效果起决定性作用。要求：护屏必须具有足够负的电位，并且极化性能愈小愈好；在使用过程中表面不产生高电阻的硬壳，溶解均匀。护屏材料：锌与锌合金、镁合金、铝合金等。比如：国内生产的锌-铝-镉三元合金，在海水中使用，电位必稳定，寿命长，且价格便宜。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,电保护阳极辅助材料对保护效果的影响相对来说较次要。阳极辅助材料：凡是导电的材料均可以用来制作辅助阳极。如：废钢铁、石墨、高硅铸铁、铅银合金、镀铂钛、铂钯合金等。其中最常用的是废钢。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,(3)护屏或辅助阳极的合理配置阳极配置是否恰当，对阴极保护效果影响很大，特别对于结构形状比较复杂的设备以及介质导电率不太高的场合尤为突出。为什么？原因：如果阳极配置不合理，则会发生电流的“遮蔽作用”。遮蔽作用是由于电流有选择电阻最小的途径流动的特性、被保护设备上距离阳极最近的部位，电阻最小，将集聚很高的电流密度，而离阳极较远的部位，往往不能获得足够的电流密度，致使保护度降低，甚至完全得不到保护。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,结论：结构形状不宜太复杂避免伸得较长的突出结构。当结构上的突出部分因工艺要求不可避免时，则可将突出部分涂以绝缘材料。阳极的数量和配置应尽量做到与被保护结构的各部位的距离大致相等，使电流的分散均匀。,太长,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,(4)要预留保护参数的监测点为了便于对保护参数进行测量和监控，在被保护设备上应预留保护参数的监测点。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,4. 阴极保护的应用实例阴极保护比较适宜于腐蚀性不太强的介质中，如海水、土壤、中性盐溶液。为什么？原因：在强腐蚀介质中，由于电能或护屏材料的消耗太大，不经济。阴极保护应用实例见书表6-2。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,二、阳极保护 对具有活态钝态转变而不能自钝化的腐蚀体系，通过阳极极化电流，使金属的电位正移到稳定钝化区内，金属的腐蚀速度就会大大降低，这种防护方法称为阳极保护。 将被保护设备与外加直流电源的正极相连，在一定的电解质溶液中将金属进行阳极极化至一定电位，如果在此电位下金属能建立钝态并维持钝态，则阳极过程受到抑制，而使金属的腐蚀速度显著降低，这时设备得到了保护。 保护效果好而又经济的防腐方法。但目前应用不是很普遍。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,1.阳极保护的主要参数 阳极保护必须控制的主要参数致钝电流密度、维钝电流密度、钝化区范围。 (1)致钝电流密度icp 为使金属钝化所需的外加阳极极化电流密度。 影响因素金属的本性、介质条件，致钝时间的长短。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,结论促使金属建立钝态的致钝电流密度越小越好，但是不能太小。原因：致钝电流密度小，不仅可以使用小容量的电源设备，减少设备投资和耗电量，而且致钝过程中，被保护金属的阳极溶解也比较小。但是电流密度小到一定数值时，电流效率几乎等于零，电流全部消耗于电解腐蚀了，并非用于建立钝态。选择设计阳极保护时，要合理的选择致钝电流密度，既考虑恰当的电源设备容量，又要使金属建立钝态时，不致遭受太大的电解腐蚀。采用逐步钝化的方法。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,(2)维钝电流密度ip钝化区所对应的阳极极化电流密度，维钝电流密度希望越小越好。原因：它直接反映了金属设备在阳极保护下的腐蚀速度，并且维钝电流密度越小，经常性的电解消耗也越少。影响因素：维钝电流密度的大小同样也取决于金属的本性和介质条件(溶液组成、浓度、pH值、温度等)。 为了降低维钝电流密度，常常采用涂料阳极保护的联合保护，效果很好。,6.1 电化学保护,第6章 防腐方法,