畢業(yè)設計（論文）電化學腐蝕防護的測量及監(jiān)控技術研究

1、中 國 礦 業(yè) 大 學本科生畢業(yè)設計姓 名： xxx 學 號： xxxxxxx 學 院： 信息與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程與自動化 論文題目： 電化學腐蝕防護的測量及監(jiān)控技術研究 專 題： 指導教師： xxx 職 稱： 講師 2009 年 6 月 徐州中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計任務書學院 信電學院 專業(yè)年級 電氣工程與自動化05-11 學生姓名 xxx 任務下達日期：2009年 2月 16日畢業(yè)設計日期： 2009 年 2 月 16日 至 2009 年 6 月 20 日畢業(yè)設計題目：電化學腐蝕防護的測量及監(jiān)控技術研究畢業(yè)設計專題題目： 畢業(yè)設計主要內容和要求：本課題針對埋地鋼筋的防腐問題對電化

2、學腐蝕與防腐的相關知識進行學習和研究，主要內容如下：（1） 全面、系統(tǒng)地認識、了解學習腐蝕的原理，及陰極保護、參比電極、ir降測量和腐蝕監(jiān)控的相關知識；（2） 利用所學知識，設計實驗進行實際測量與驗證；（3） 對實驗進行總結，提出相關結論；（4） 翻譯與本畢業(yè)設計內容相關的、最新的、字數不少于3000的外文資料；參閱中外文參考文獻資料不少于20篇，其中外文資料不少于5篇。院長簽字： 指導教師簽字： 摘 要 本文介紹了腐蝕的機理，陰極保護方法和測量參數，總結了常用參比電極的類型及使用，描述了目前常用消除ir降的測量技術，并進行了比較對照，還介紹了腐蝕監(jiān)控的一些相關知識。在本文中采用近參比法進行了

3、ir降測量的相關實驗，并得出了ir降與參比電極到測量電極間距離成正比的結論。如何減小ir降的影響，準確測量鋼筋電位是對鋼筋陰極保護有效性評價的依據，極化電位是陰極保護的重要參數。本論文研究中采用雙參比電極法測試埋地鋼筋的陰極保護電位，探討各種因素對極化電位的影響，確定極化電位的測試參數。依據雜散電流對地下埋設的金屬管線和鋼筋混凝土主體結構中鋼筋發(fā)生陽極氧化的電化學腐蝕機理,用黃沙代替混泥土，模擬了鋼筋試件處于黃沙中的腐蝕介質,并就黃沙中的鋼筋在恒定外電壓時發(fā)生的腐蝕進行了試驗,同時用雙參比電極法測定了當鋼筋試件處于這種腐蝕介質時,其中鋼筋發(fā)生電化學腐蝕的極化電位和ir降。通過實驗數據分析,用常

4、規(guī)方法測得的管-地電位中總含有一定的ir降；用這樣的數據評價管道的陰極保護狀況是不可靠的。等效電路是分析管-地電位測量中ir降的產生、影響及消除的有效方法之一。在近參比法中，參比電極的位置對測量結果有影響。最后得出鋼筋的電化學當量和腐蝕速率受其所在腐蝕環(huán)境介質的影響,其在自然腐蝕狀態(tài)下的電化學當量不適用于計算地鐵迷流在混凝土中對鋼筋產生的腐蝕量。關鍵詞：參比電極；陰極保護；ir降；極化電位；腐蝕監(jiān)控abstract this paper introduces the mechanism of corrosion, cathodic protection methods and measurem

5、ent parameters, summed up the commonly used types of reference electrode and use of the current commonly used to describe the elimination of ir drop measurement techniques, and compared in control, but also introduced a number of related corrosion monitoring knowledge . in this article reference the

6、 use of near ir drop method of measuring the relevance of the experiment, and ir drop obtained with the reference electrode to the measurement of the distance between electrodes is proportional to conclusions.how to reduce the impact of ir drop, the accurate measurement of steel reinforcement potent

7、ial is the evaluation of the effectiveness of cathodic protection based on cathodic protection polarization potential is an important parameter.this paper will study the use of dual-reference electrode buried test the cathodic protection of reinforced potential to explore the potential of various fa

8、ctors on the impact of polarization to determine the polarization potential of the test parameters. the basis of stray current on the metal pipe buried underground and the main structure of reinforced concrete reinforced the occurrence of anodic oxidation mechanism of electrochemical corrosion, repl

9、ace the concrete with sand to simulate the reinforced sand samples in the corrosive medium, and yellow sand in the reinforced a constant voltage when outside of the corrosion tests carried out at the same time with dual-reference electrode method for the determination of when the steel specimen in s

10、uch a corrosive medium, the occurrence of which reinforced the polarization of the electrochemical corrosion potential and the ir drop.through the analysis of experimental data, measured using conventional methods of control - and contains a certain amount of total potential of the ir drop; the use

11、of such data evaluation of the cathodic protection of pipelines is unreliable.equivalent circuit analysis of control - and potential measurement in the selection of ir drop, and the elimination of one of the effective ways. law in the last reference, the reference electrode position on the measureme

12、nt results of an impact.rc came to the conclusion that the electrochemical corrosion rate equivalent and its environmental media where the effects of corrosion, corrosion in the natural state of the electrochemical equivalent of the subway does not apply to the calculation of stray current in the co

13、ncrete resulting from corrosion of steel capacity.keywords： reference electrode; cathodic protection; ir down; polarization potential; corrosion monitoring目 錄1 緒論11.1問題的提出11.2陰極保護技術概述11.2.1陰極保護原理11.2.2陰極保護條件31.3陰極保護的國內外發(fā)展歷程41.3.1國內發(fā)展歷程41.3.2國外現狀及發(fā)展歷程41.4本文的主要研究內容71.5本文研究的目標與意義72 腐蝕與電化學防護92.1電化學腐蝕的機理

14、92.2陰極保護的方法102.2.1犧牲陽極保護102.2.2外加電流陰極保護102.2.3排流保護112.2.4陰極保護方法的選擇112.3陰極保護參數122.3.1保護電位122.3.2保護電流密度132.3.3最佳保護參數142.4參比電極類型及使用153 陰極保護電位測量中的ir降及其研究193.1ir降產生原理及其數量級193.2ir降與陰極保護準則的關系213.3消除ir降的測量技術223.3.1瞬間斷電法223.3.2試片斷電法243.3.3脈沖技術法253.3.4極化探頭法263.3.5原位參比法273.3.6土壤電壓梯度技術273.3.7交流電技術293.4克服ir降各種方法

15、的比較294 陰極保護電位測量實驗314.1管地電位測量技術概述314.2管地電位測試方法314.2.1直接參比法314.2.2地表參比法314.2.3近參比法324.2.4遠參比法324.2.5滑動參比法334.3ir降測試實驗334.3.1實驗材料與設計334.3.2實驗測試內容344.3.3實驗數據測量344.3.4實驗數據處理375 腐蝕監(jiān)控405.1腐蝕監(jiān)控概述405.1.1腐蝕監(jiān)檢測的目的及意義405.1.2腐蝕監(jiān)控系統(tǒng)405.2腐蝕監(jiān)控技術415.2.1腐蝕監(jiān)測技術的分類415.2.2腐蝕監(jiān)測設備的監(jiān)測原理425.3常用的腐蝕檢測方法435.3.1非電化學檢測方法435.3.2電

16、化學方法466 總結與展望49致謝50參考文獻：51翻譯部分53中文譯文：53英語原文：651 緒論1.1問題的提出 埋地鋼質管道為延長使用壽命一般采用防腐層加陰極保護的聯合防蝕措施進行控制。但有時測得的保護電位正常，腐蝕卻照樣發(fā)生。這就給我們提出個問題，這個“正?！钡碾娢皇欠袷钦鎸嵉?，管道陰極保護真實電位應該怎樣測量。埋地鋼質管道周圍的環(huán)境狀況較為復雜，比如電磁污染嚴重，特別是雜散電流十分普遍，在中國石油管道局所轄的管道上交、直流干擾十分常見，據東北管道的統(tǒng)計表明東北地區(qū)的輸油管道80%的腐蝕事故是由雜散電流造成的，在這種干擾條件下如何來測量管道陰極保護的真實電位就顯得尤為重要。另外，長輸管

17、道與其它地下構筑物相碰的幾率也很高，如發(fā)生金屬連接，電位測試就成問題；有時為了防止套管內輸送管的腐蝕要在套管內增設帶狀犧牲陽極，河流穿越段為加強防腐在施工時期就要補加犧牲陽極，絕緣裝置上的接地電池也是犧牲陽極，有時臨時陰極保護用的犧牲陽極后期沒有拆除等等，所有這些都使得管道真實的陰極保護電位測量變得十分復雜和困難。還有陰極保護電位測量中的ir降也影響電位測量結果。為了消除ir降，最佳的方法是斷電法，這在國內外的標準中都有體現，然而斷電法也是有條件的，我們在陜京線和鞍大線均發(fā)現，由于雜散電流和補償電流的影響，采用常規(guī)的斷電法測不準真實的管道陰極保護電位。 由于管道陰極保護真實電位測試方法不統(tǒng)一，

18、使得陰極保護真實電位測不準，如何來判斷陰極保護的水平就成了問題。1.2陰極保護技術概述1.2.1陰極保護原理 1824年davy提出了陰極保護方法，用鋅犧牲陽極來防止固定木船銅包皮的鐵螺釘的腐蝕。但是這種方法到本世紀30年代才在工業(yè)上開始應用。經過170多年的發(fā)展，伴隨著科學技術的進步，陰極保護技術日趨完善，檢測和監(jiān)控也更加先進，其應用范圍也不斷擴大。 陰極保護技術就是通過向被保護的鋼質管道通以足夠的直流電流，使管道表面產生陰極極化，減小或消除造成鋼質管道土壤腐蝕的各種原電池的電極電位差，使腐蝕電流趨于零，進而達到阻止管道腐蝕的目的。陰極保護包括三個基本過程，即陰極過程、陽極過程和電流流動。(

19、l)陰極過程陰極過程在被保護結構表面上進行，在中性介質中，在陰極區(qū)發(fā)生還原反應，陰極過程一般是o2的去極化過程:當陰極極化電位負移到一定電位時，會發(fā)生析氫反應:(2)陽極過程陽極過程發(fā)生在輔助陽極表面，電流通過陽極流入電解質，并流入被保護結陽極區(qū)發(fā)生氧化反應，對于溶解性陽極材料而言，陽極過程是金屬的溶解過構程:對于微溶性和不溶性陽極材料，陽極反應主要是析氧和析氯反應:(3)電流流動通過電解質中荷電離子的定向移動，在被保護結構和陽極間形成一定的電流，從而對金屬結構起到保護作用。下面用極化曲線簡圖說明陰極保護的原理，為了便于說明問題，可把陰極、陽極極化曲線簡化成直線，如圖1.1所示 圖1.1陰極保

20、護原理簡圖 在金屬表面上的陽極反應和陰極反應都有自己的平衡電位，為了達到完全的陰極保護，必須使整個金屬的電位降低到最活潑點的平衡電位。設金屬表面陽極和陰極的平衡電位分別為ea和ec。金屬腐蝕過程中由于極化作用，陽極和陰極的電位都接近于交點s所對應的電位ecorr，這時的腐蝕電流為icorr。如果進行陰極極化，電位將從ecorr向更負的方向移動，陰極反應曲線ec從s點向c點方向延長。當電位極化到ep時，所需的極化電流為ip，相當于ac線段，其中bc線段這部分是外加的，而ab線段這部分電流是陽極反應所提供的電流，此時金屬尚未停止腐蝕.如果使金屬陰極極化到更負的電位，例如達到ea，這時由于金屬表面各

21、個區(qū)域的電位都等于e。，腐蝕電流為零，金屬達到了完全保護.此時外加的電流in，即為達到完全保護所需的電流。 使金屬達到完全保護所需的最小電流密度，稱為最小保護電流密度，相應的電位稱為最小保護電位，它相當于金屬表面最活潑的陽極點的開路電位。1.2.2陰極保護條件陰極保護應用條件有: (1)腐蝕介質必須是能導電的，以便能建立起連續(xù)的電路。如通常的土壤、海水、淡水及酸堿鹽溶液等介質中都可進行陰極保護。而氣體介質、大氣以及其它不導電的介質，則不能應用陰極保護。不過近幾年的科研成果中，在氣相條件下也有采用陰極保護的報道,實際上，其應用條件也是在被保護的金屬表面上涂上一層導電的固體電解質。 (2)被保護的

22、金屬材料在所處的介質中要容易進行陰極極化,否則耗電量大，不宜進行陰極保護。常用的鋼鐵、銅、鋁、鉛等都可采用陰極保護。在陰極保護中，陰極反應會使陰極附近溶液的堿性增加。對于兩性金屬如鋁、鉛等可能會加速腐蝕，產生負效應。因此,對兩性金屬采用陰極保護時，負電位一般要加以限制，防止陰極腐蝕的發(fā)生。 (3)對于復雜的金屬設備或構筑物，要考慮其幾何上的”屏蔽作用”，防止保護電流的不均勻性。例如對于大型儲罐罐底的保護，采用周邊淺埋陽極時，就會產生罐底邊緣電位過負，而罐中心位置達不到最小保護電位的現象。 (4)電絕緣已成了陰極保護必不可少的條件,為了降低保護電流密度,要采用覆蓋層絕緣；為防止電流的流失要將保護

23、構筑物與非保護構筑物進行電絕緣，國外有人提出”沒有電絕緣,就沒有陰極保護”,可見電絕緣的重要性。 (5)和電絕緣相對應，被保護構筑物系統(tǒng)間的電連續(xù)性是陰極保護的又一條件。例如預應力混凝土管道的陰極保護，必須將各節(jié)管子的縱向鋼筋進行首尾相連,否則保護系統(tǒng)難成回路；同樣，凡是法蘭連接的管道也必須通過焊接的電纜將其跨接，確保電流的暢通。(6)一些不安全因素可能會限制陰極保護在特定領域中的應用。例如，罐內陰極保護，當析出的氫氣逸放不出去時就會有爆炸的危險；當有可燃氣體時，禁用鎂犧牲陽極就是因為鎂因碰撞會發(fā)生火花而不能采用。1.3陰極保護的國內外發(fā)展歷程1.3.1國內發(fā)展歷程管道的腐蝕控制一般采取覆蓋層

24、加陰極保護的聯合措施，這一點基本上得到了管道界的認同，在國內現有的近25000km的長輸管道中基本上均采用了陰極保護,包括油田的集輸管道。但對于油田各油井間的管道有的則未加陰極保護；在目前國內的城鎮(zhèn)燃氣管道中，也只有大城市的干線上采用陰極保護，中小城市及配氣管網多數未加陰極保護；城市的鋼質供水管道對陰極保護的要求不高，但漏水問題十分嚴重，有的已高達近50%。 我國的陰極保護技術開始于1958年，當時僅限于小規(guī)模的試驗，60年代初開始在各油田試用，到1970年長輸管道開始建設時，陰極保護已是必不可少的技術，它可以成功控制埋地管道的腐蝕，延長管道的壽命，為管道的安全生產提供了技術保證。 不過，70

25、年代的管道陰極保護技術十分簡陋，作法也很簡單，通常的作法是在管道的垂直距離500m處打一組鋼鐵陽極，接地電阻要小于1，通過架空線引至陰極保護間。采用整流器給管道供電，正極接陽極，負極接管道。 陰極保護的兩個方法，強制電流法和犧牲陽極法均有使用而且十分成熟，只是在干擾問題上缺乏經驗，使得在遇到城市管道或區(qū)域性保護時有時感到強制電流法無法使用。 國內的陰極保護檢測技術還較落后，長輸管道基本上還是人工測量電位，因沒有自動通/斷電系統(tǒng)，所以測得的是通電電位，含有ir降，這已不符合現行標準的要求。在遙測方面,國內各家也在大膽探索，因路線和水平所限，均沒有什么進步。曾有管道局和四川科大采用管體做載體進行遙

26、測，在中朝、沈撫等管道上使用。采用以通信線路為通道的陰極保護遙測，也有人試過，對于一般電位測試還是可行的。陜京線把陰極保護參數測量納入了數據采集及監(jiān)控(scada)系統(tǒng)，是目前國內最為先進的測試系統(tǒng)，可以測得全線各站通/斷的管/地電位。 在石油行業(yè)，有關管道陰極保護的技術標準已初步形成了體系，相關標準有10余部。1.3.2國外現狀及發(fā)展歷程 陰極保護技術是在1824年，由英國化學家davy發(fā)明的，直到20世紀30年代才在管道上推廣使用。法國煤氣雜志曾報道過，德國有17000km；法國有20000km；蘇聯有60000km；美國則有640000km管道施加了陰極保護。美國1968年頒布的管道安全

27、法，對管道防蝕有過明文規(guī)定,即在1971年6月30日以前的管道限期3年補加陰極保護，1971年7月1日以后建設的管道必須施加陰極保護。在1988年美國的環(huán)保法對地下儲油罐提出了相關的規(guī)定，要求所有的地下儲罐限期在1998年12月底前必須施加陰極保護，否則將受到處罰。類似的法規(guī)在德國、日本等工業(yè)國家也有。目前這一技術已廣泛應用在石油天然氣行業(yè)中。美國腐蝕工程師協會nace已制訂了一系列標準，其中最有影響的為nace rp0169、nace rp0177、nacetm0497、nace tm0101和nace tm0102等。在陰極保護技術中，值得一提的是德國，在技術的先進性上不亞于美國，貝克曼的

28、陰極保護手冊譽滿全球腐蝕界，是腐蝕工作者必不可少的工具書。德國的din 30676、din 57150、afk03標準均是世界上最高水平的陰極保護領域標準。 關于國外陰極保護技術發(fā)展歷程歸納以下幾個方面：（1） 設計的先進性 國外的設計理念比國內具有先進性，主要體現在根據法規(guī)和標準，他們認為合理的就可大膽地在設計中體現出來，比如關于臨時陰極保護的原則，德國sss公司就提出了：當土壤電阻率大于100m時，正式陰極保護投入超過6個月；當土壤電阻率在23100m時，正式陰極保護投入超過3個月；當土壤電阻率小于23m時，正式陰極保護投入超過3個星期時，就應施加臨時陰極保護，這是一個全新的理念。 國外的

29、設計是沒有國度限定的，所選用的設備和材料通常是世界范圍內最先進、最合理的。如1986年，我們和德國ple合作設計瓊深線時，ple公司所選設備是當時世界最為先進的以色列生產的ccvt；德國sss公司在非洲設計的工程所用陽極并不完全采用德國自己生產的產品，有的選用世界最優(yōu)秀的磁性氧化鐵陽極。 為了設計的科學性，國外公司在設計前期付出大量的投入，力求達到設計的先進性和合理性，比如，早在1976年，美國阿拉斯加管道建設期間，為了解決永凍土中管道陰極保護技術難題，設計工作者進行了大量的研究工作，投入不少財力和人力，最終根據研究成果采用了兩條鋅帶陽極與管道平行敷設的方案，這在世界上尚屬首次。（2）陰極保護

30、遙測與遙控技術 由于國外的管理體制，一般是管道的業(yè)主將管道的腐蝕控制委托給另一家專業(yè)化防腐蝕公司來負責，如美國安然公司的近二萬公里管道，有些就委托給了加拿大的一家防腐公司，德國的城市近萬km燃氣管道的管理工作委托給了ple公司(共有50多人，負責760座陰極保護站，4500個絕緣接頭，10000多個測試點)，管道業(yè)主自己沒有專門的防蝕管理人員，而承擔管理監(jiān)控的公司又是多家業(yè)主的承包商，專業(yè)性強，技術手段要求高，遙測與遙控技術就應運而生。 20世紀60年代，美國harco公司開發(fā)出航空檢測的pass系統(tǒng)，它具有計算機的自動處理功能。這套系統(tǒng)是由若干個地面信號單元和一個空中中心單元組成，當飛機飛入

31、地面單元的信號范圍時，通過識別碼可在2s之內將它的參數輸入并記錄在中心單元的磁盤中，然后將記錄數據的磁盤放在地面中心計算機室進行技術處理,并打印出來。 進入到20世紀80年代，harco公司將原來的pass系統(tǒng)進行改進，新的裝置叫做“dilink遠距離監(jiān)測系統(tǒng)”，它改變了過去僅局限飛機的運載工具，新裝置適用于飛機和汽車上。擴大了使用范圍，方便了用戶。 這種dilink系統(tǒng)的設計可滿足更大范圍的需要，它將接受、儲存及傳遞任何實質性數據，這些數據可以被模擬值或數字值表示出。通?？蓽y的參數有腐蝕相關參數、溫度、壓力及流速等。 1999年,在北京召開的中國第一屆國際腐蝕大會上，德國sss公司給大會演示

32、了當今世界上最為先進的陰極保護遙控系統(tǒng)，通過一部手提電腦和一部手機，利用電腦中的軟件可以直接控制德國法蘭克福北部一座天然氣管道陰極保護站的保護參數，這里不光是遙測，還加入了遙控技術，演示獲得成功。 國外近幾年還發(fā)展了一種線路電位遙測裝置，它由參比電極和參數采集、發(fā)送系統(tǒng)所組成，通過通訊手段(如手機)把信息傳送到測量人的手中。油氣儲運1999年第10期提到，美國天然氣研究所準備采用遙感和遠程監(jiān)測技術，對埋地管道定位、覆土深度、陰極保護參數、第三方侵入管帶的破壞及以檢漏為主要目的的gps系統(tǒng)的應用等。（3） 強電干擾的現狀 強電線路(通常指高壓輸電線路和交流電氣化鐵路)與地下管道相鄰，強電線路會對

33、鄰近的地下金屬管道造成感應影響及危險影響，危及操作人員的人身安全和設備的安全，威脅管道的正常運行。 對于交流干擾這一領域的研究，國外已有近百年的歷史，有關理論、標準規(guī)范及技術成果頻繁出現在技術刊物上。這些技術主要反映在貝克曼的陰極保護手冊、nace rp 0177、德國防干擾仲裁委員會no.7技術建議書(afk 3)文獻中。 德國防干擾仲裁委員會no.7技術建議書(afk3)文獻提供管道上允許的指標是:持續(xù)干擾電壓65v；瞬間干擾電壓1000v。強電線路對埋地管道的感應影響主要有三個途徑:容性耦合、阻性耦合和感性耦合。 強電線路對管道的交流干擾的危害主要有兩個方面，一是長期存在著的交流電壓的交

34、流腐蝕作用；二是故障狀態(tài)下瞬間感應電壓的危險影響，造成的瞬間高電壓可能擊穿絕緣層，擊穿絕緣法蘭(或接頭)，甚至擊毀陰極保護設備，并對操作人員的人身安全造成威脅。 關于交流電的腐蝕作用，國外已有近百年的研究歷史，提出的基本觀點是:交流電將加速金屬的陽極溶解過程；對于鋼鐵交流腐蝕效率，一般認為相當直流腐蝕的1%2%；陰極保護可以抑制交流腐蝕。在故障狀態(tài)下的強電流可能會通過鄰近的埋地管道，產生電熔解，我們稱之為電擊腐蝕。它區(qū)別于交流腐蝕，觀察時?？砂l(fā)現，金屬坑呈光滑態(tài)，無腐蝕產物，有黑色焦化物和金屬流淌的現象。（4） 非常規(guī)條件下的陰極保護 常規(guī)下的陰極保護技術已完全標準化、商品化，對于非常規(guī)條件下

35、的陰極保護技術發(fā)展也很快，比較突出的有以下幾個方面:混凝土構筑物中鋼筋的陰極保護，特別是在橋梁基礎中的應用，混凝土馬路路面的應用等；長線形陽極的研制與應用，這里要說明的有柔性陽極，它目前的品種已由開始單一的導電聚合物發(fā)展成金屬氧化物多種結構型線形陽極，主要用于防腐層老化的高電流密度的管道上、不規(guī)則的管網上、高電阻率的常規(guī)陽極不適用的地區(qū)、大型儲罐的罐底等。1.4本文的主要研究內容 加了陰極保護的埋地涂層金屬管道能否有效地防止土壤和地下水的腐蝕，常?？抗艿赖膶Φ仉娢粊砼袛?。管-地電位是確定并正確評價陰極保護程度的一項重要標準。因此，深化對ir降影響的認識，尋求可靠的實用的測量方法，在工程應用中具

36、有重要的意義，并越來越引起人們的重視，并建立和發(fā)展了許多消除ir降的方法。如有忽略法、外推法、瞬時斷電法和遠地法，以及pearson法、輔助電極法、階躍電位衰減法、探頭法等等。在其中的一些方法中，還采用了電子計算機技術。 本文主要開展了三方面的研究工作，包括鋼筋在土壤中的腐蝕及其陰極極化行為研究、陰極保護電位測試技術研究等。 （1）選擇的理化分析，對鋼筋在不同濕度、不同類型的土壤中的腐蝕性進行研究。 （2）通過室內模擬土壤環(huán)境實驗，利用電化學測試手段，對鋼的陰極極化行為研究。本文用電化學等效電路分析了ir降的產生及其影響，闡述了在埋地涂層金屬管道陰極保護電位的測量中，消除ir降的瞬時斷電法和探

37、頭法的原理與局限。在此基礎上，推薦用陰極保護多功能測量探頭消除管一地電位測量中ir降。 （3）近參比電極測試技術研究，研究中將采用近參比電極法測試埋地鋼筋的陰極保護電位；通過對輔助試片法、近參比法、管道去極化法和斷電法進行研究與比較，分析各種測試方法下得到保護電位的準確性和可靠性。1.5本文研究的目標與意義 腐蝕是引起埋地管道破壞和失效的主要原因之一，埋地管道的腐蝕情況不能直接觀察到，發(fā)生泄漏等情況時不容易及時發(fā)現且不便維修，所以，如何防止管道的腐蝕破壞一直是管道工程中重要的環(huán)節(jié)。腐蝕防護技術是關系到埋地管道可靠性和使用壽命的關鍵因素，研究管道的腐蝕與防護技術，對延長管道的使用壽命以及保證工業(yè)

38、生產的順利進行具有重要意義。陰極保護技術在我國大型埋地長輸管道上應用已有30余年歷史，早期投入運營的埋地管道，由于技術等原因一直存在以下問題:(l)管道保護電位是在通電狀態(tài)下，相對于飽和銅/硫酸銅參比電極，采用地表參比法進行測試；(2)在通電狀態(tài)下，采用一0.85v作為陰極保護有效電位判據；(3)管道陰極保護狀況測試、評價方法、手段及設備落后。由于在通電狀態(tài)下進行管道陰極保護電位測試，土壤中存在陰極保護電流，用地表參比法所測得管地電位中包含有ir降成份，難以對管道保護效果進行有效的評價，從而導致部分管道局部管段處于欠保護狀況。 在雜散電流嚴重區(qū)域和在我國西部土壤電阻率較高區(qū)域，ir降常成為埋地

39、管道陰極保護最棘手問題。近年雖推出如:斷電法或試片斷電法等消除ir降的測量技術，但需要承擔額外裝置費用，而且還不能確保完全消除ir降，所以難以普遍廣。ir降構成復雜，涉及某些隨機因素，目前無法靠計算確定。本論文主要研究克服ir降各種方法的比較，分析各種測試方法下得到保護電位的準確性和可靠性。2 腐蝕與電化學防護2.1電化學腐蝕的機理 金屬腐蝕從氧化還原理論分析是金屬被氧化的過程。在化學腐蝕過程中，發(fā)生的氧化還原反應的物質是直接接觸的，電子轉移也是直接在氧化劑和還原劑之間直接進行，即被氧化的金屬和被還原的物質之間直接進行電子交換，氧化與還原是不可分的。而在電化學腐蝕過程中，金屬的氧化和氧化物質的

40、被還原是在不同的區(qū)域進行，電子的轉移也是間接的。例如，zn片和cu片浸在酸溶液中，在兩極上發(fā)生的反應分別為：金屬鋅 (2.1)金屬銅 (2.2) 經過測量可知，金屬鋅的電極電位較低，金屬銅的電極電位較高。在金屬鋅上發(fā)生的是氧化反應過程，被稱作陽極；金屬銅上發(fā)生的是還原反應過程，被稱為陰極。 陽極上金屬鋅表面的鋅原子失去2個電子以n2+形式進入酸溶液中；留下的2個電子通過電子導體流向陰極，在陰極上得到電子而生成h原子，進而復合成氫分子釋放出來。在溶液中電荷的傳遞是通過溶液中的陰、陽離子的遷移完成的，使得電池構成了一個完整的回路。電池反應的結果是金屬鋅被腐蝕。從上面例子中可看出，腐蝕電池包括如下四

41、個部分: (l)陽極過程：金屬發(fā)生溶解，并且以離子形式進人溶液，同時將相應摩爾數量的電子留在金屬上。 (2)陰極過程：從陽極流過來的電子被陰極表面電解質溶液中能夠接受電子的氧化性物質所接受。在溶液中能夠接受電子發(fā)生還原反應的物質很多，最常見的是溶液中的和。 (3)電子的傳輸過程：這個過程需要電子導體(即第一類導體)將陽極積累的電子傳輸到陰極，除金屬外，屬于這類導體的還有石墨、過渡元素的碳化物、氮化物、氧化物和硫化物等。 (4)離子的傳輸過程：這個過程需要離子導體(即第二類導體)，陽離子從陽極區(qū)向陰極區(qū)移動，同時陰離子向陽極區(qū)移動。除水溶液中的離子外，屬于這類導體的還有解離成離子的熔融鹽和堿等。

42、 腐蝕電池這四個部分的同時存在，使得陰極過程和陽極過程可以在不同的區(qū)域內進行。這種陽極過程和陰極過程在不同區(qū)域分別進行是電化學腐蝕的特征，這個特征是區(qū)別腐蝕過程的電化學歷程與純化學腐蝕歷程的標志。 腐蝕電池工作時所包括的上述四個基本過程既相互獨立，又彼此緊密聯系。這四個過程中的任何一個過程被阻斷不能進行，其他三個過程也將受到阻礙不能進行。腐蝕電池不能工作，金屬的電化學腐蝕也就停止了。這也是腐蝕防護的基本思路之一。2.2陰極保護的方法2.2.1犧牲陽極保護 犧牲陽極保護方法是在被保護金屬上連接電位更負的金屬或合金作為犧牲陽極，依靠犧牲陽極不斷腐蝕溶解產生的電流對保護金屬進行陰極極化，達到保護的目

43、的。犧牲陽極保護方法的主要特點是：1） 不需要外加直流電源。2） 驅動電壓低，輸出功率低，保護電流小且不可調節(jié)。陽極有效保護距離小，使用范圍受介質電阻率的限制。但保護電流的利用率較高，一般不會造成過保護，對鄰近金屬設施干擾小。3） 陽極數量較多，電流分布比較均勻。但陽極重量大，會增加結構重量，且陰極保護的時間受犧牲陽極壽命的限制。4） 系統(tǒng)牢固可靠，施工技術簡單，單次費用低，不需專人管理。 在陰極保護工程中，犧牲陽極必須滿足下列要求：電位足夠負且穩(wěn)定。電流效率高且穩(wěn)定。表面溶解均勻，腐蝕產物松軟、易脫落，不致形成硬殼或致密高阻層。來源充足，價格低廉，制作簡易，污染輕微。 犧牲陽極的性能主要由材

44、料的化學成分和組織結構決定。對鋼鐵結構，能滿足以上要求的犧牲陽極材料主要是鎂及其合金、鋅及其合金和鋁合金。鋁合金陽極的主要優(yōu)點是：理論發(fā)生電量大，為2970ah/kg，按輸出電量的價格比，較鎂和鋅具有無可比擬的優(yōu)勢；由于發(fā)生的電量大，可以制造長壽命的陽極；在海水及其他含氯離子的環(huán)境中，鋁合金陽極性能良好，電位保持在-0.95-1.10v（sce）。因此鋁合金陽極廣泛用于海洋環(huán)境和含氯離子的介質中，用于保護海上鋼鐵構筑物及海洋油氣輸送管線。 犧牲陽極系統(tǒng)的設計，包括保護面積的計算，保護參數的設定，犧牲陽極的形狀、大小和數量、分布和安裝以及陰極保護效果的評定等問題。2.2.2外加電流陰極保護 外加

45、電流陰極保護是利用外部直流電源對被保護體提供陰極極化，實現對被保護體的保護的方法。 外加電流陰極保護方法的主要特點是：需要外部直流電源。驅動電壓高輸出功率和保護電流大，能靈活調節(jié)、控制陰極保護電流，有效保護半徑大；可適用于惡劣的腐蝕條件或高電阻率的環(huán)境；但有產生過保護的可能性，也可能對附近金屬設施造成干擾。采用難溶和不溶性輔助陽極的消耗低，壽命長，可實現長期的陰極保護。由于系統(tǒng)使用的陽極數量有限，保護電流分布不夠均勻，因此被保護的設備形狀不能太復雜。外加電流陰極保護與施加涂料聯合，可以獲得最有效的保護效果，被公認為是最經濟的防護方法。 外加電流陰極保護系統(tǒng)的設計，主要包括：選擇保護參數，確定輔

46、助陽極材料、數量、尺寸和安裝位置，確定陽極屏材料和尺寸，計算供電電源的容量等。2.2.3排流保護 在有雜散電流的環(huán)境中，利用排除雜散電流對被保護構筑物施加陰極保護稱為排流保護，通常排流方法有三種:(1) 直接排流 當雜散電流干擾電位極性穩(wěn)定不變時，可以將保護體和干擾源直接用電纜相連，排除雜散電流。這種方法簡單易行，但如選擇不當，會造成引流，加大雜散電流。(2) 極性排流 當雜散電流干擾電位極性正負交變時，可通過串入二極管把雜散電流排回干擾源，由于二極管具有單向導通性能，只允許雜散電流正向排出，負向保留作陰極保護用。此法是目前廣泛使用的排流法。(3) 強制排流 上述二種方法，只有在排流時才能對保

47、護體施加保護，而不排流期間，保護體就處于自然腐蝕狀態(tài)，因而又出現了第三種排流方法強制排流。強制排流就是在無雜散電流時通過整流器供給保護電流，當有雜散電流存在時利用排流進行保護。通常使用恒電位儀進行強制排流，在有排流保護時最好也留有少量保護電流輸出。2.2.4陰極保護方法的選擇 這些方法的選擇，主要考慮的因素有：保護體的表面覆蓋層狀況；工程規(guī)模的大?。画h(huán)境條件；有無可利用的電源；經濟性。 根據提供電流方式的不同，陰極保護可分為犧牲陽極陰極保護和外加(強制)電流陰極保護(iccp)。這兩種保護方式的對比如下:犧牲陽極系統(tǒng)： (l)不需要任何電力網的電源。(2)一般限于保護涂敷層良好的結構物，或供局

48、部保護之用。(3)用于土壤或水的電阻率低的環(huán)境中。(4)它們的安裝比較簡單，在未獲得要求的效果之前，可以繼續(xù)進行補充的安裝。(5)檢查時，需要用便攜式儀器在每個陽極上或在相鄰的各對陽極之間進行檢查。(6)需要很多的陽極。其壽命隨條件的不同而有很大的差別。(7)對鄰近結構物的影響很小。(8)電流輸出不能控制，但是電流有一個可以自動調節(jié)的傾向，如果條件改變使電位變正，故電動勢增大，因而電流增大，此外不容易造成涂層的破損。 外加電流系統(tǒng)： (l)需要有供電干線或其它電力電源。(2)可應用于許多種結構物，必要時還可用于大型、無涂敷層的結構物。(3)土壤或水的電阻率對其應用限制較小。(4)它的輸出可以調

49、節(jié)，故可以適應意外之外的，或正在變化的一些情況。雖有此方便，但必需仔細設計。(5)檢查時，只需在較少的若干位置上進行檢測，測試儀器一般可放在容易達到的供電點上。(6)一般需要的陽極數量很少。(7)對被保護結構物地床附近的其它結構物的干擾作用，但是這種干擾常常是容易排除。(8)不論外界條件如何變化，均可實現自動控制電位。 一般來說，對于電阻率低、管道密集、被保護對象的面積和需要的保護電流小，或者沒有電源的場合，宜采用犧牲陽極保護法，對于被保護對象規(guī)模大，所需要保護電流大的場合，宜采用強制電流保護法。此外，在某些情況下，為了取長補短，發(fā)揮各自優(yōu)勢，可以同時采用強制電流和犧牲陽極對被保護對象進行聯合

50、保護。 本文涉及到鋼筋的陰極保護，因此主要圍繞外加電流陰極保護技術進行闡述。2.3陰極保護參數 在陰極保護中，判斷金屬構筑物保護效果，要借助參比電極測量金屬的保護電位。而為了達到需要的保護電位，都是通過改變保護電流密度來實現的。因此，保護電位和保護電流密度是陰極保護的兩大參數。2.3.1保護電位保護電位是指陰極保護下金屬停止腐蝕（或腐蝕可忽略）時所需的電位值。為了使腐蝕完全停止，必須使被保護金屬極化到它的電位等于表面上最活潑的陽極點的初始電位。實際上，對鋼鐵構筑物來說，這一電位就是鐵在給定電解質溶液中的平衡電位。所以，只要能確定鐵的平衡電位，就可以知道它的保護電位。根據nernst 方程式可以

51、計算出鐵在一定ph 溶液中的平衡電位。 在實際應用中，為了兼顧保護程度與保護效率，一般來說并不片面追求達到完全保護，而是給出一個保護電位范圍，允許金屬在保護下仍以不大的速度進行均勻腐蝕。例如，我國國家標準規(guī)定（1998 年修訂）對鋼在海水中的保護電位范圍規(guī)定0.800.95v（vs ag/agcl），當電位低于保護電位的下限時，鋼不能得到有效的保護。所以該下限值稱為最小保護電位。 表2.1出了相對于海水ag/agcl 參比電極在室內海水中鋼的保護電位與保護效果的實驗數據。表2.1 鋼保護電位與保護效果的室內實驗自然電位（v）保護電位（v）保護效果（%）-0.56-0.56 0-0.52-0.7

52、0 49.49-0.50-0.7785.89-0.55-0.8089.04-0.57-0.90 95.47-0.58-1.0096.45-0.57-1.1096.20-0.57-1.3091.992.3.2保護電流密度 保護電流密度是指被保護結構單位面積上所需要的保護電流。陰極保護時，與保護電位相對應的電流密度值稱為保護電流密度。使金屬的腐蝕速度降到最低程度所需要的電流密度值稱為最小保護電流密度。最小保護電流密度是陰極保護的重要參數之一，它是與最小保護電位相對應的。 保護電流密度的大小與金屬的表面狀態(tài)（有無保護膜，漆膜的損壞程度，海生物的附著情況等），介質條件（組成，濃度，溫度，流速等）有關。

53、對于鋼管樁碼頭和海洋采油平臺，這些長期浸泡在海水中的鋼結構來說，不同的保護部位（指水下高度上的差別）由于海水溫度，含氧量，ph 值，流動速度，海生物生長數量及形狀，硫酸鹽還原菌的存在等的差異應選取不同的保護電流密度。海洋自然地理環(huán)境對保護電流密度數值的影響是很大的，例如，同樣的鋼結構在墨西哥灣的保護電流密度為60ma/m2，在北海為130 ma/m2，而在庫克灣卻高達400 ma/m2。在陰極保護工程設計中，合理地選取保護電流密度值是十分重要的。選取的電流密度值如果偏低，則鋼結構得不到應有的保護；如果選取的偏高，則設計的電流量增大，設備的容量及施工費用都要增加，造成不必要的浪費，不經濟，有時會

54、造成過保護。在污染海水中，由于鋼的腐蝕加重，因此，必須增加保護電流密度才能獲得良好的保護效果。據國外文獻報道，在污染的海水中根據海水污染程度不同應相對地提高保護電流密度30%50%。 保護電流密度與陰極極化電位的關系是非線性的。通電開始，從鋼材在海水中的自由腐蝕電位開始極化時，所需要的電流密度較大。陰極持續(xù)極化電位逐漸變負，當達到保護電位以后，所需要的保護電流就變小了。但是在進行設計時，保護電流密度一定要按陰極保護初期所需要的電流密度選取，這樣才可能在較短的時間內達到所要求的保護電位值。否則就會需要很長的時間才行，甚至在有些情況下，始終達不到設計所要求的保護電位。這種情況下，陰極保護的效果就會降低。表2.2 列出了我國海洋鋼結構陰極保護常用的初期保護電流密度值。表2.2 常用的初期保護電流密度值環(huán)境介質鋼結構的表面狀況保護電流密度（ma/m2）靜止海水裸鋼80100流動海水裸鋼100150靜止海水有涂層1020流動海水有涂層（完好）1530流動海水有涂層（破損）3050 2.3.3最佳保護參數 陰極保護最佳保護參數的選擇應既能達到較高的保護程度，又能達到較高的保護效率。保護程度p定義為： （2.3）式中:icorr 為未加陰極保護