金屬腐蝕電化學(xué)保護(hù)公開課一等獎優(yōu)質(zhì)課大賽微課獲獎?wù)n件

1、金屬腐蝕與防護(hù)教學(xué)課件第1頁第六章 電化學(xué)保護(hù) 應(yīng)用電化學(xué)極化方法來預(yù)防和減輕金屬腐蝕方法稱為電化學(xué)保護(hù)。 主要有陽極保護(hù)和陰極保護(hù)兩種類型。 另外，為了減輕電解腐蝕（主要是雜散電流腐蝕）所采取排流防蝕技術(shù)及區(qū)域保護(hù)技術(shù)也進(jìn)行了闡述敘述。第2頁6.1 陽極保護(hù) 對腐蝕介質(zhì)中金屬結(jié)構(gòu)物進(jìn)行陽極極化，使其表面形成鈍化膜，并通電維持其鈍化狀態(tài)，從而顯著降低腐蝕速度保護(hù)辦法稱為陽極保護(hù)。主要用于有氧化性且無Cl-酸、堿、鹽溶液中，要求材料必須含有鈍化性，所以在海洋環(huán)境中忌用陽極保護(hù)，因?yàn)楹Ｋ泻写罅緾l-。 一、原理 由E-pH圖可見，當(dāng)電極發(fā)生陽極極化而電位正移時，金屬由活化腐蝕區(qū)過渡到鈍化穩(wěn)定區(qū)

2、，使腐蝕過程陰極控制變?yōu)殛枠O控制。只有能夠發(fā)生陽極鈍化情況下才適合用于該方法，極化狀態(tài)必須保持在鈍化區(qū)。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第3頁 二、參數(shù) 由鈍化曲線能夠看出，陽極保護(hù)主要參數(shù)是： （1）致鈍電流密度，或臨界電流密度（icp）：是產(chǎn)生鈍化所需最小陽極極化電流密度（Am-2），它相當(dāng)于金屬陽極溶解最大值，只有超出此值電流部分才能形成鈍化膜。 極化電流密度（i）越大，轉(zhuǎn)化為鈍化狀態(tài)所需時間（t）越短，其間大致有以下關(guān)系：（iicp）t常數(shù) 實(shí)際應(yīng)用中要求icp越小越好，若太大則極化早期消耗功率大，使設(shè)備龐大而造價較高。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第4頁 （2）維鈍電流密度或穩(wěn)定鈍化電流密度（ip）：是鈍

3、化狀態(tài)下維持電位穩(wěn)定所需電流密度（Am-2），它主要用于補(bǔ)充鈍化膜溶解。 所以，ip越小越好，且消耗電能少。依據(jù)電解定律能夠求出鈍化膜溶解速度Km與ip關(guān)系為：KmNip26.8（gm-2h-1） （61） 式中：N鈍化膜化學(xué)當(dāng)量（g）； ip鈍化膜維鈍電流密度（Am-2）； 26.8電化學(xué)當(dāng)量（Ah），26.8Ah96500 C。 （3）鈍化（區(qū)）電位（E鈍）：是使金屬維持鈍化狀態(tài)電位，其范圍越寬越好。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第5頁三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 包含恒電位儀、輔助陰極、參比電極和被保護(hù)結(jié)構(gòu)物，以及附設(shè)電路和儀表等。1陰極材料 要求耐蝕，機(jī)械強(qiáng)度好，不發(fā)生氫脆。 濃硫酸中可使用鉑、金、鑄鐵等； 稀

4、硫酸中可使用銀、鋁青銅、石墨； 鹽水中可使用高鎳或高鉻合金、碳鋼； 堿液中可使用碳鋼。 陰極設(shè)置力爭最正確電流分布，使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物整體均處于鈍化穩(wěn)定區(qū)。陰極安裝應(yīng)該絕緣、牢靠、方便維修。陰極引出線與被保護(hù)體之間絕緣良好，并進(jìn)行絕緣密封。 第六章 電化學(xué)保護(hù) 第6頁2參比電極 有甘汞電極、氯化銀電極、硫酸亞汞電極或氧化亞汞電極，依據(jù)介質(zhì)性質(zhì)和使用要求選定。 鉑在硫酸中，銀在鹽酸中或食鹽水中，鋅在堿性溶液中含有穩(wěn)定電位，也可作參比電極使用。 參比電極應(yīng)分別設(shè)置在距離陰極近、中、遠(yuǎn)三處，平時以中間為監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，近、遠(yuǎn)處參比電極可用來觀察電位分布或暫時使用。3電器設(shè)備 恒電位儀，工業(yè)用普通要求為624V

5、，50500A。依據(jù)陽極保護(hù)三參數(shù)和被保護(hù)體面積估算。配電與走線要求安全合理，注意接地，預(yù)防雜散電流腐蝕。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第7頁四、陽極保護(hù)方式1單純陽極保護(hù) 有連續(xù)通電式和間歇通電式。 用同一套電器設(shè)備同時滿足icp和ip要求，往往碰到實(shí)際困難。因?yàn)槎邤?shù)值往往相差幾個數(shù)量級，如：在100H2SO4中，對于碳鋼icp100Am-2，ip0.5Am-2；在30%HNO3中，對于碳鋼icp10000 Am-2，ip0.2Am-2，為處理這一矛盾，能夠采取逐步加液連續(xù)通電式或連續(xù)鈍化式。 逐步加液連續(xù)通電式是采取逐步加液，逐步鈍化，直至容器中盛滿液體和完全鈍化，在此過程中，所需電流一直維持較小

6、數(shù)量級。 連續(xù)鈍化式是預(yù)先涂覆暫時性涂層，因?yàn)橥繉佑嗅樋祝冻雒娣e很小，鈍化電流也較小，實(shí)際使用過程中涂層逐步破損，破損處很快鈍化，直至涂層完全剝落，容器完全鈍化，但其致鈍電流卻一直較小。 第六章 電化學(xué)保護(hù) 第8頁2聯(lián)合保護(hù) 陽極鈍化法與其它防腐方法相結(jié)合聯(lián)合保護(hù)技術(shù)往往含有更加好防腐效果，經(jīng)常采取聯(lián)合保護(hù)是陽極鈍化法。 主要有以下三種方式，即與涂層結(jié)合、與緩蝕劑結(jié)合或與電偶結(jié)合。 比如：因?yàn)榱蛩嶂锈伵c碳或鉑（電偶）相連接、熱硫酸中鉻鋼與Fe3O4 + MnO2相連接時可處于鈍化穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)早期使設(shè)備強(qiáng)制鈍化后，就能夠用電偶方式保持其鈍化狀態(tài)。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第9頁五、應(yīng)用舉例（表6-2）

7、設(shè)備名稱設(shè)備材料介 質(zhì)保護(hù)方法保護(hù)效果有機(jī)磺酸中和罐不銹鋼20%NaOH中加RSO3H中和鉑陰極，鈍化區(qū)電位范圍250mV孔蝕顯著降低，產(chǎn)品含鐵由（250300）10-6降低至（620）10-6紙漿蒸煮鍋碳鋼（2.5m，H 12m）NaOH100gL-1，Na2S 35 gL-1，180致鈍電流4000A，維鈍電流600A腐蝕速度由1.9mma-1降至0.26mma-1硫酸儲槽碳鋼H2SO4Ic，即保護(hù)電流要比腐蝕電流大得多。圖6-3 陰極極化率較大時極化曲線圖 圖6-4 陰、陽極極化曲線 相等或陽極極化率較大時 極化曲線圖第六章 電化學(xué)保護(hù) 第25頁四、陰極保護(hù)影響原因腐蝕電池極化 （3）周

8、圍介質(zhì)腐蝕性增大，會使保護(hù)電流對應(yīng)加大。介質(zhì)中氯離子濃度增加、含氧量增大、介質(zhì)攪動速度加緊（如增加海水流速）均使陰極極化減弱，從而使極化所需電流增加，即保護(hù)電流增大。 介質(zhì)中化學(xué)成份改變、含氧量多少、pH值大小及離子種類、懸浮物多少對陰極保護(hù)都有影響。含氧量、pH值及介質(zhì)電導(dǎo)率都會影響陽極極化速度，使得所需陰極保護(hù)電流發(fā)生改變。 懸浮物增多會使陰極表面發(fā)生磨損，造成陰極極化減弱，腐蝕電流增加，保護(hù)電流對應(yīng)增大。 溫度也會影響極化率。溫度升高使氧溶解度降低，但同時擴(kuò)散速度加緊，電極反應(yīng)速度加緊，最終往往使得保護(hù)電流密度有所改變。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第26頁四、陰極保護(hù)影響原因 金屬表面油漆涂層能

9、夠使金屬與周圍介質(zhì)隔離，但因?yàn)橥繉硬⒉皇峭耆旅?，往往含有微小孔隙和缺點(diǎn)，在此局部會發(fā)生腐蝕。若陰極保護(hù)與油漆聯(lián)合保護(hù)，則使得這些局部得到保護(hù)，而且所需保護(hù)電流密度比裸露金屬要小得多。 在陰極保護(hù)時，接觸海水陽極表面因?yàn)閜H值升高而形成石灰質(zhì)垢層，即電解被覆層。因?yàn)榻饘俦砻姹桓采w，增加了表面電阻，降低了防蝕電流密度，提升了防腐效果。 因?yàn)樾纬墒屹|(zhì)垢層后保護(hù)電流密度會大幅度降低，電位分布更趨均勻，因而在陰極保護(hù)過程中，經(jīng)常最初控制較大電流密度，使表面盡快形成致密石灰質(zhì)垢層，然后采取較小電流密度來維持。涂覆層第六章 電化學(xué)保護(hù) 第27頁6.3 犧牲陽極陰極保護(hù)法一、犧牲陽極性能及種類1犧牲陽極性

10、能要求 （1）陽極電位。犧牲陽極要有足夠負(fù)電位，不但要有足夠負(fù)開路電位，而且要有足夠負(fù)工作電位，并能與被保護(hù)金屬之間產(chǎn)生較大驅(qū)動電壓，另外要求陽極本身極化小，電位穩(wěn)定。 （2）電流效率。犧牲陽極電流效率是指實(shí)際電容量與理論電容量百分比，用%表示。工程要求犧牲陽極含有較高電流效率和較小自腐蝕速度。 第六章 電化學(xué)保護(hù) 第28頁6.3 犧牲陽極陰極保護(hù)法一、犧牲陽極性能及種類 （3）陽極消耗率。犧牲陽極消耗率是單位電量所消耗陽極質(zhì)量，單位是kgA-1h-1或者kgA-1a-1。對于犧牲陽極來說，實(shí)際測得消耗單位質(zhì)量犧牲陽極所產(chǎn)生電量越大（Ahkg-1），則陽極消耗率越小。 （4）腐蝕特征。犧牲陽極

11、表面腐蝕特征是評定陽極性能指標(biāo)之一。對于性能良好陽極，要求表面腐蝕均勻，無難溶沉積物。陽極使用壽命長，不產(chǎn)生局部腐蝕脫落。犧牲陽極本身合金組織成份及熔煉鑄造工藝條件是決定陽極腐蝕特征主要原因。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第29頁2犧牲陽極種類 當(dāng)前慣用犧牲陽極種類有鋅合金陽極、鋁合金陽極和鎂合金陽極，另外還有錳合金陽極和鐵合金陽極。在海水中慣用犧牲陽極為鋅合金陽極和鋁合金陽極。1）鋅合金陽極 鋅合金陽極是使用較早且較普遍一個陽極。鋅陽極種類很多，有純鋅體系，Zn-Al系，Zn-Sn系，Zn-Hg系等等，但慣用鋅陽極主要是純鋅系和Zn-Al-Cd系，這兩種陽極性能見表6-7。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第30頁

12、性 能純鋅，鋅合金相對密度7.14開路電位/V（vs.SCE）-1.03對鐵驅(qū)動電壓/V0.20理論發(fā)生電量/ Ahg-10.82海水中電流效率/%953mAcm-2發(fā)生電量/Ahg-10.78消耗量/kgA-1a-111.8土壤中電流效率/%650.03mAcm-2發(fā)生電量/Ahg-10.53表6-7 鋅陽極性能第六章 電化學(xué)保護(hù) 第31頁 因?yàn)殇\陽極本身含鐵量高，會造成陽極表面溶解狀態(tài)不好，使得電流效率降低。20世紀(jì)60年代后，我國研制出三元鋅合金陽極，并制訂出國家標(biāo)準(zhǔn)GB4950-85。其化學(xué)成份和電化學(xué)性能見表78。 因?yàn)槿\陽極電化學(xué)性能優(yōu)越，含有性能穩(wěn)定、電流效率高、溶解性能好、

13、有自動調(diào)整陽極電流能力，因而被廣泛用于船舶、海底管線、油艙、海水冷凝器及其它海上構(gòu)筑物。其缺點(diǎn)是對雜質(zhì)（銅和鐵）較敏感，有效電量小，實(shí)際消耗率大，使被保護(hù)體負(fù)荷較重，保護(hù)壽命短。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第32頁化學(xué)元素AlCd雜質(zhì)最大含量FeCuPbSiZn含量/% 0.30.50.050.120.0050.0050.0060.125余量項(xiàng)目開路電位/V（vs.SCE）工作電位/V（vs.SCE）理論發(fā)生電量/Ahg-1實(shí)際發(fā)生電量/ Ahg-1電流效率/%溶解情況性能-1.05-1.09-1.00-1.050.820.7895腐蝕產(chǎn)物輕易脫落。表面溶解均勻表68 Zn-A1-Cd系合金化學(xué)成份及

14、鋅犧牲陽極電化學(xué)性能第六章 電化學(xué)保護(hù) 第33頁2）鋁合金陽極 鋁合金陽極是在鋅陽極基礎(chǔ)上，為了開發(fā)優(yōu)質(zhì)長壽命陽極而研制。自20世紀(jì)60年代開始快速發(fā)展。我國也形成三大系列，較慣用為Al-Zn-In系，其化學(xué)成份、電化學(xué)性能見表69。 鋁合金陽極特點(diǎn)是：理論發(fā)電量大，密度小，能夠設(shè)計(jì)成長壽命陽極，重量輕，制造工藝簡便，材料起源充分，電化學(xué)性能優(yōu)良，有自動調(diào)整電流和電位作用，被廣泛應(yīng)用于海上采油設(shè)備、海底管線、船舶、海上構(gòu)筑物、濱海電廠海水系統(tǒng)。鋁陽極電流效率普通比鋅陽極低，活化起動性能和溶解性能比鋅陽極差，而且不適于高電阻率介質(zhì)。 當(dāng)前，鋁合金陽極發(fā)展向著提升電流效率，改進(jìn)溶解性能，適于高電阻

15、率介質(zhì)及高、低溫海水環(huán)境方向發(fā)展。比如，開發(fā)研制出熱海水陽極，半咸水陽極及海泥中鋁陽極。為了使海上輸油管得到有效保護(hù)，還開發(fā)出手鐲式犧牲陽極，使得鋁犧牲陽極安裝更合理，發(fā)生電流盡可能滿足管道要求，以滿足所需要保護(hù)壽命。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第34頁合金種類化 學(xué) 成 分/%AlInCdSnMgSiFeCuAlAl-Zn-In-Cd 2.54.50.0180.0500.0500.0200.80.16V0.02余量Al-Zn-In-Sn2.25.20.0200.0450.0180.0350.80.160.02余量Al-Zn-Ir-Si5.57.50.025-0.0350.100.150.160.2余

16、量Al-Zn-In-Sn-Mg2.54.00.0200.0500.0250.0750.501.000.130.160.02余量項(xiàng)目開路電位/V（vs.SCE）工作電位/V（vs.SCE）實(shí)際發(fā)生電量/ Ahg-1電流效率/%溶解情況性能-1.05-1.09-1.00-1.050.7895腐蝕產(chǎn)物輕易脫落，表面溶解均勻表6-9 Al-Zn-In系合金化學(xué)成份Al-Zn-In電化學(xué)性能第35頁二、犧牲陽極保護(hù)設(shè)計(jì) 犧牲陽極保護(hù)效果主要取決于犧牲陽極材料及合理保護(hù)設(shè)計(jì)，其基本步驟以下：1）搜集設(shè)計(jì)參數(shù) 搜集材質(zhì)、表面情況、幾何形狀及相關(guān)環(huán)境資料；設(shè)定保護(hù)電流密度；了解保護(hù)面積及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；依據(jù)保護(hù)年限

17、和所需保護(hù)電流計(jì)算犧牲陽極重量。2）選擇犧牲陽極材料及規(guī)格 依據(jù)保護(hù)年限及要求，選擇犧牲陽極材料（如鋅陽極或鋁陽極），依據(jù)安裝要求、結(jié)構(gòu)條件和保護(hù)電流，選擇犧牲陽極布設(shè)位置和間距，并確定陽極尺寸及規(guī)格。3）計(jì)算陽極數(shù)量驗(yàn)算 依據(jù)總防蝕面積和防蝕電流，計(jì)算得陽極重量和數(shù)量，并需再行驗(yàn)算。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第36頁第六章 電化學(xué)保護(hù) 第37頁第六章 電化學(xué)保護(hù) 第38頁第六章 電化學(xué)保護(hù) 第39頁三、應(yīng)用舉例1海水管道 伴隨國民經(jīng)濟(jì)不停發(fā)展及淡水資源缺乏，利用海水作為冷卻水發(fā)電廠已成為能源部門發(fā)展方向。當(dāng)前，我國已相繼建設(shè)了幾十座濱海電廠，所以，海水對輸水管道腐蝕成為濱海電廠急需處理問題。因?yàn)楹?/p>

18、水強(qiáng)腐蝕性和詳細(xì)情況不一樣，對于海水管道防腐蝕需要進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查及對應(yīng)設(shè)計(jì)。1）犧牲陽極保護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作 在對電廠海水冷卻管道進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)以前，需搜集以下資料和數(shù)據(jù)。 （1）海水水溫、鹽度及其改變，以及含氧量與電阻率等。 （2）海水流速及海生物附著情況。 （3）管道材質(zhì)、表面情況、幾何形狀、面積及結(jié)構(gòu)。 （4）涂層種類和情況。 （5）設(shè)備維修周期。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第40頁2）陰極保護(hù)設(shè)計(jì) 比如某濱海電廠處于亞熱帶，裝機(jī)容量為6600MW，冷卻水為一次性海水，管道由直徑3040mm，每節(jié)長度6mA3鋼管焊接而成。（1）設(shè)計(jì)參數(shù)（以每節(jié)長度6m計(jì)） 海水管道內(nèi)徑：3000mm； 每節(jié)管道長度

19、：6m； 海水電阻率：30cm； 設(shè)計(jì)溫度：1032； 設(shè)計(jì)壽命：15a； 陽極類型：長條型支架陽極； 陽極化學(xué)成份：Al-Zn（2.5%4.5%）-In（0.03%0.04%）-Cd（0.0l%0.02%）； 陽極在海水中開路電位：1.101.18V（VsAgAgCl）； 陽極在海水中工作電位：1.05V（vsAgAgCl）； 陽極在海水中電流效率：85%； 陽極在海水中消耗率：3.8kgA-1a-1； 實(shí)際發(fā)電量：0.263Aakg-1； 陽極在涂漆管道上保護(hù)電流密度：30mAm-2； 保護(hù)電位改變范圍：0.850.95V（vsSCE）。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第41頁（2）陽極設(shè)計(jì) a保護(hù)面

20、積：S3 m6 m56.52 m2； b總保護(hù)電流：IiS 30mA56.521695.6 mA； c依據(jù)保護(hù)年限15a，可計(jì)算所需陽極總重量為： W= aI0.263113.8kg（0.85） d選取長條狀陽極（115+85）mm800mm80mm，則陽極發(fā)生電流為IaE/R，這里鋁陽極E0.30V，依據(jù)公式，其中rC25.72，則R為0.18，計(jì)算Ia0.300.181.67（A）。因?yàn)镮aI，則選取每塊18kg陽極，需要NGGl113.8186.36塊。（3）陽極安裝 為了使電流分布均勻，采取對稱安裝方式，因每段管道長6m，焊接處需適當(dāng)加強(qiáng)保護(hù)，故選定在每段管道水平中線兩側(cè)中部和距兩管端

21、1m處各放置一塊陽極，整個管道內(nèi)陽極對稱排列。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第42頁性能 種類 指標(biāo) 開路電位 -V(SCE)工作電位 -V(SCE)實(shí)際電容量Ah/kg電流效率 %溶解情況普通鋁合金陽極1.10-1.181.05-1.12240085腐蝕產(chǎn)物輕易脫落,表面溶解均勻.高效鋁合金陽極1.10-1.181.05-1.12260090高活化鋁合金陽極1.45-1.501.40-1.45208070鋁合金陽極電化學(xué)性能第43頁鋁陽極按形狀分類型號規(guī)格mm重量Kg形 狀T-AZIC-1（115+135）130100046梯形長條T-AZIC-2（115+135）13050023梯形長條T-AZIC

22、-3（105+135）10050016梯形長條T-AZIC-4（58.5+78.5）68100013.2梯形長條T-AZIC-5（105+135）10030010梯形長條B-AZIC-66001205010板 狀B-AZIC-7500100405.5板 狀B-AZIC-8250100402.5板 狀Y-AZIC-9170150508空心圓柱體Y-AZIC-10170100505.5空心圓柱體Y-AZIC-11100500255空心圓柱體Y-AZIC-1210050301空心圓柱體注：亦可依據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)第44頁海洋工程設(shè)施用鋁陽極結(jié)構(gòu)圖第45頁三、應(yīng)用舉例2船舶 某艦艇船體為碳鋼CT4焊接

23、而成，涂六道瀝青系油漆，有推進(jìn)器3只，材料為錳青銅，舵板1只，進(jìn)塢周期為L5a。1）浸水面積 艇殼水下面積：Sn341 m2； 推進(jìn)器表面積：Sd4.2 m2； 舵板表面積： Sp4.5 m2。2）保護(hù)參數(shù)選擇 艇殼保護(hù)電流密度：in4 mAm-2； 推進(jìn)器保護(hù)電流密度：id150 mAm-2； 舵板保護(hù)電流密度：ip25 mAm-2。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第46頁3）犧牲陽極數(shù)量計(jì)算 船體水下各部位所需保護(hù)電流值分別為： InSnin13864 mA； IdIdid630 mA； IpSpip112.5 mA。 采取鋅-鋁-鎘合金犧牲陽極（250mm100mm35mm），每塊陽極發(fā)生電流量為I

24、發(fā)170 mA，則該艇各部位所需陽極塊數(shù)分別為： 艇殼： InI發(fā)8.02，取8塊； 推進(jìn)器：IdI發(fā)3.71，取4塊； 舵： IpI發(fā)0.66，取l塊。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第47頁6.4 外加電流陰極保護(hù)法一、外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn) 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)是將外設(shè)直流電源負(fù)極接被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)，正極接安裝在金屬結(jié)構(gòu)防腐一側(cè)外部并與其絕緣輔助陽極。電路接通后，電流從輔助陽極經(jīng)海水至金屬結(jié)構(gòu)形成回路，金屬結(jié)構(gòu)陰極極化得到保護(hù)。其特點(diǎn)為： （1）可隨外界條件（如海區(qū)、流速、溫度等）引發(fā)改變自動調(diào)整電流，使被保護(hù)部分電位控制在預(yù)置最正確保護(hù)電位范圍內(nèi)。 （2）保護(hù)周期長，采取不溶性高效輔助陽極，使用壽

25、命可達(dá)1020a。 （3）輔助陽極排流量大，作用半徑大，能夠保護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面積較大設(shè)備及港工建筑與地下管道等。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第48頁二、外加電流保護(hù)系統(tǒng)組成 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由輔助陽極、參比電極、陽極屏蔽層和直流電源等四部分組成。1輔助陽極材料 在外加電流保護(hù)系統(tǒng)中與直流電源正極連接外設(shè)電極稱之為輔助陽極，其作用是使電流從電極經(jīng)介質(zhì)到被保護(hù)體表面。輔助陽極材料電化學(xué)性能、機(jī)械性能、工藝性能及結(jié)構(gòu)形狀、大小、分布與安裝等對其壽命和保護(hù)效果都有影響。理想陽極材料應(yīng)含有以下性能： （1）導(dǎo)電性能好，陽極極化小，表面電阻?。?（2）排流量大； （3）耐腐蝕，消耗量小，壽命長； （4）材料應(yīng)含

26、有一定機(jī)械強(qiáng)度，耐磨損，并耐沖擊和振動； （5）機(jī)械加工性能好，易于加工成各種形狀； （6）材料易取得，價格相對廉價。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第49頁材料成份工作電流密度/Am-2損耗率/kgA-1a-1壽命/a種類使用范圍高硅鑄鐵14.517%Si0.3%0.8%Mn0.5%0.8%C551000.31.0性能硬，機(jī)械加工困難海洋設(shè)施、淡水、地下石墨10300.040.8性脆，強(qiáng)度低海水、地下鉛銀合金2%3%Ag502500.16性能良好，價格廉價海水鉛銀微鉑1%2%Ag鉛銀表面嵌鉑絲60010000.01010性能良好，輸出電流大，價格廉價海水鍍鉑鈦鉑層度2.510m50012500.0061

27、0-3610性能良好，體積小，較昂貴海水、淡水、地下涂釕鈦鈦表面涂二氧化釕10000.47610-34.5海水及其它介質(zhì)鉑鈮絲鉑鈮復(fù)合材料1000610-610性能很好，價格高海水鈦基/混合金屬氧化物6003.610-68性能很好海水鉑銥合金10%20%銥1800可忽略性能良好，較昂貴海水表610 輔助陽極性能慣用輔助陽極材料性 能示于表610。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第50頁2參比電極 在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，參比電極被用來測量被保護(hù)體電位，并向控制系統(tǒng)傳遞信號，方便調(diào)整保護(hù)電流大小，使結(jié)構(gòu)電位處于給定范圍。 參比電極應(yīng)含有以下性能： （1）在長久使用過程中，參比電極應(yīng)保持電位穩(wěn)定，重現(xiàn)性好；

28、 （2）參比電極應(yīng)允許經(jīng)過微量電流，且不產(chǎn)生嚴(yán)重極化； （3）參比電極使用壽命要長； （4）受外界溫度及環(huán)境條件影響要小，溫度系數(shù)要小； （5）有一定機(jī)械強(qiáng)度，耐海水沖刷，耐磨損，便于安裝。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第51頁慣用參比電極性能見表611。種 類電極電位/V（vs.SCE）鋼保護(hù)電位/V（vs.SCE）生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性極化性能壽命a用途銀/氯化銀0.00-0.080復(fù)雜穩(wěn)定不易極化510用于海水中外加電流設(shè)備銅/硫酸銅0.05-0.85簡單較穩(wěn)定不易極化23手提式，用于現(xiàn)場觀察鋅電極（純鋅）-1.03+0.23簡單穩(wěn)定不易極化610用于海水中外加電流系統(tǒng)表611 25海水中慣用參比電極性能

29、第六章 電化學(xué)保護(hù) 第52頁 參比電極電位與鋼保護(hù)電位關(guān)系是，不論采取何種參比電圾，對于鋼來說，只要使鋼自然腐蝕電位向負(fù)方向移動200300mV，便為保護(hù)電位范圍。在表74中，已列出不一樣參比電極對鋼保護(hù)電位值。 經(jīng)過大量試驗(yàn)得出以下結(jié)論，即在陰極保護(hù)系統(tǒng)中，將鋼保護(hù)電位要求在以下范圍內(nèi)保護(hù)效果為最正確，相對銀/氯化銀電極，鋼保護(hù)范圍是0.801.00V；相對銅飽和硫酸銅電極，鋼保護(hù)范圍是0.851.05V；相對鋅參比電極，鋼保護(hù)電位是+0.23+0.03V。假如鋼保護(hù)電位不在以上范圍，則會發(fā)生欠保護(hù)或過保護(hù)現(xiàn)象。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第53頁3陽極屏蔽層 在外加電流系統(tǒng)工作時，從陽極排出較大電

30、流，陽極周圍被保護(hù)結(jié)構(gòu)電位會很負(fù)，以致產(chǎn)生析氫現(xiàn)象，使附近涂層破壞，降低保護(hù)效果。為預(yù)防這種現(xiàn)象發(fā)生，并擴(kuò)大電流分布范圍，以確保陰極保護(hù)效果，需在輔助陽極周圍涂裝絕緣屏蔽層。 普通對陽極屏蔽材料性能要求以下： （1）有較高粘附性和韌性，能耐海水沖擊； （2）耐海水、耐堿、尤其是耐氯氣性能好； （3）絕緣性能好； （4）使用壽命長； （5）工藝性能好，施工簡單，原料易得。 慣用陽極屏蔽材料有三類： （1）涂層：環(huán)氧瀝青系涂料、氯丁橡膠和玻璃鋼涂料； （2）薄板：聚四氟乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯等薄板； （3）覆蓋絕緣層金屬板。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第54頁4供電電源 在外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中所使用供電

31、電源有恒電位儀、整流器、直流發(fā)電機(jī)、太陽能電池等，比較慣用為恒電位儀。防腐工程中對于恒電位儀性能要求以下： （1）依據(jù)參比電極提供信號，能自動調(diào)整保護(hù)電流，使被保護(hù)體一直處于預(yù)定保護(hù)電位范圍內(nèi)； （2）電位控制誤差0.01V； （3）給定電位范圍1.50V，0+1.5V，連續(xù)可調(diào)； （4）輸入阻抗1Mn； （5）紋波電壓小于自定義輸出直流電壓5%； （6）含有限流或過流保護(hù)裝置，過欠保護(hù)電位顯示報警及斷電報警裝置； （7）絕緣電阻（冷態(tài)），對標(biāo)稱電壓至60V儀器，對地絕緣電阻大于10M，對標(biāo)稱電源電壓大于60V儀器，對地絕緣電阻大于100M； （8）穩(wěn)態(tài)時參數(shù)正常工作，瞬態(tài)時能可靠工作。第六章

32、 電化學(xué)保護(hù) 第55頁整流方式特點(diǎn)適用范圍穩(wěn) 定 性缺 點(diǎn)可控硅體積小，重量輕，輸出功率大，可靠性強(qiáng)船舶、管線及平臺保護(hù)穩(wěn)定性強(qiáng)，使用壽命長過載能力不強(qiáng)，調(diào)試較麻煩，需加過流保護(hù)裝置磁飽和線路簡單，過載能力強(qiáng)，便于維護(hù)適適用于各類陰極保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，使用壽命長裝置粗笨，工藝復(fù)雜晶體管體積小，精度高，工作可靠，操作簡單適適用于小型船舶及較小規(guī)模外加電流保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，使用壽命較長輸出功率低，使用范圍受限制表6-12 恒電位儀種類及特點(diǎn)恒電位儀種類及特點(diǎn)見表612。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第56頁三、外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 保護(hù)參數(shù)選擇 各種不一樣金屬材料在海水中、有不一樣腐蝕電位和保護(hù)電流

33、密度，在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中必須正確選擇這些參數(shù)。不一樣金屬或合金都有一定保護(hù)電位范圍，對于港工設(shè)施和近海平臺、船舶等，其主要結(jié)構(gòu)材料是鋼，在海水中最正確保護(hù)范圍應(yīng)控制在0.801.00V（vsAgAgCl）。 保護(hù)電流密度確實(shí)定與鋼材本身性質(zhì)及其他原因都有關(guān)系，如海水狀況，地理?xiàng)l件和涂層情況等，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第57頁2設(shè)計(jì)步驟 （1）了解被陽極保護(hù)部分基本設(shè)施參數(shù)和相關(guān)圖紙資料，如材質(zhì)、表面情況（涂層）、尺寸、水下面積、結(jié)構(gòu)電連接等。 （2）了解所在海區(qū)環(huán)境條件及海水情況、含氧量、濕度、鹽度、潮汐、電阻率和流速等，方便選擇適當(dāng)電流密度。 （3）依據(jù)各部分（或不一樣材質(zhì)

34、）所要保護(hù)面積和保護(hù)電流密度，計(jì)算總保護(hù)電流量。 （4）依據(jù)被保護(hù)物結(jié)構(gòu)尺寸、保護(hù)年限和所需總保護(hù)電流，選取適當(dāng)電源設(shè)備、輔助陽極材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和數(shù)量，以及參比電極類型、結(jié)構(gòu)和數(shù)量。 （5）依據(jù)被保護(hù)物結(jié)構(gòu)情況和輔助陽極保護(hù)范圍，確定輔助陽極和參比電極布置。 （6）假如要涂刷陽極屏蔽層，可依據(jù)海水電阻率與輔助陽極最大排流量，結(jié)合實(shí)用要求，選取一定屏蔽層材料并計(jì)算出陽極屏尺寸。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第58頁四、應(yīng)用舉例 1）保護(hù)面積 泵殼內(nèi)表面面積：40 m2； 葉輪表面積：15 m2； 泵軸保護(hù)面積：8m2。 2）保護(hù)參數(shù)選擇 葉輪保護(hù)電流密度：0.6Am-2； 泵軸及泵殼保護(hù)電流密度：0.2

35、Am-2； 總電流為：18.6A。1. 循環(huán)水泵 某濱海電廠循環(huán)水泵為4臺72LKXA-17.5型立式混流泵，內(nèi)腔采取外加電流陰極保護(hù)方法，保護(hù)年限為10a。按照每臺水泵計(jì)算以下：第六章 電化學(xué)保護(hù) 第59頁 3）設(shè)計(jì) 輔助陽極選取鍍鉑鈦圓盤狀陽極5只，適用工作電流密度為2.507.50Adm-2。每個輔助陽極表面積為100cm2，使用電流為3.72Adm-2，鉑層厚度為10m。 參比電極采取AgAgCl電極，每臺泵內(nèi)設(shè)置兩只。 恒電位儀采取24V36A可控硅型，每臺泵設(shè)置1臺。四、應(yīng)用舉例第六章 電化學(xué)保護(hù) 1. 循環(huán)水泵 某濱海電廠循環(huán)水泵為4臺72LKXA-17.5型立式混流泵，內(nèi)腔采取

36、外加電流陰極保護(hù)方法，保護(hù)年限為10a。按照每臺水泵計(jì)算以下：第60頁2海水熱交換器設(shè)備 沿海電廠、石化廠等海水冷卻系統(tǒng)腐蝕比較嚴(yán)重，各種類型海水熱交換器都采取陰極保護(hù)和涂層聯(lián)合保護(hù)方法。 1）鋼冷卻器被保護(hù)面積 水室2個，面積為20m2；管線68mm，長7.3m，共384根，因受保護(hù)面積限于管端長度為14，則S1420.203m2，則總面積約為78 m2。 2）保護(hù)電流密度 水室100 mAm-2；管內(nèi)50 mAm-2。 3）所需保護(hù)電流：5.9A 設(shè)計(jì)選取14V12A恒電位儀一臺，鉛銀合金輔助陽極2只，鋅參比電極1只。四、應(yīng)用舉例第六章 電化學(xué)保護(hù) 第61頁6.5 陰極保護(hù)新進(jìn)展一、犧牲陽

37、極發(fā)展 伴隨陰極保護(hù)技術(shù)普及，對于犧牲陽極來說，人們對此有了愈加深刻認(rèn)識。當(dāng)前，犧牲陽極實(shí)用配方已經(jīng)基本定型和標(biāo)準(zhǔn)化，但開發(fā)高效、耐用、經(jīng)濟(jì)犧牲陽極則成為犧牲陽極材料發(fā)展方向，其中又以鋁合金陽極性能研究及開發(fā)最為突出。 另外與熱油輸送管道保護(hù)相關(guān)高溫陽極也成為發(fā)展方向。在犧牲陽極機(jī)理研究方面，對于鋁合金陽極中銦、汞等元素活化作用機(jī)理，鋁基犧牲陽極溶解過程和負(fù)差異效應(yīng)，鋅陽極晶間腐蝕原因和對策以及探索用工業(yè)純原料代替高純原料制造犧牲陽極等方面都有不一樣進(jìn)展。 在生產(chǎn)工藝及成型方面，經(jīng)過對鑄造過程中熱處理及改變陽極常規(guī)形狀，以提升電化學(xué)效率及改變原來單調(diào)外形，滿足陰極保護(hù)多樣化發(fā)展，如用于管線手鐲

38、式陽極、用于保護(hù)管線帶狀陽極及小尺寸棒狀陽極等。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第62頁二、外加電流陰極保護(hù)發(fā)展 外加電流中使用輔助陽極材料，由最普遍石墨和高硅鑄鐵發(fā)展到鍍鉑鈦、鍍鉑鉭和鉛銀陽極。最近國內(nèi)外使用貴金屬包覆陽極趨勢在增大，如鉑鈮絲、鉑鉭絲等。另外，陽極形式也發(fā)生了改變，如LIDA陽極，它們單個陽極用導(dǎo)線連成一串，在析氯環(huán)境（海水）或析氧（土壤或淡水）環(huán)境中使用。 在對混凝土鋼筋實(shí)施陰極保護(hù)時，可采取以下陽極，其一是網(wǎng)狀輔助陽極，即在金屬鈦網(wǎng)上涂以混合金屬氧化物。其二是導(dǎo)電混凝土，即用導(dǎo)電材料全部或部分代替混凝土中骨料，依靠這些導(dǎo)電組分間緊密接觸而導(dǎo)電。其三是柔性陽極，它能夠改變普通輔助陽極導(dǎo)

39、電均勻性差，易受介質(zhì)電阻率影響缺點(diǎn)，可在更復(fù)雜場所下使用。 參比電極精度及使用壽命關(guān)系到參比電極好壞，當(dāng)前長期有效參比電極（壽命5）發(fā)展及高純鎂電極和鉬氧化鉬電極都得到了應(yīng)用。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第63頁三、陰極保護(hù)發(fā)展方向 電化學(xué)陰極保護(hù)在海水及土壤環(huán)境中，如艦艇、鋼結(jié)構(gòu)物、油氣輸送管道等方面基本上還采取經(jīng)典或半經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)方法，今后在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和監(jiān)測技術(shù)等方面會有較大發(fā)展。 第六章 電化學(xué)保護(hù) 第64頁1陰極保護(hù)工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教授庫系統(tǒng) 采取計(jì)算機(jī)技術(shù)專門進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，分為常規(guī)法和當(dāng)代法。 常規(guī)法是采取演練已久陽極計(jì)劃設(shè)計(jì)思想、歐姆定律和法拉第定律對陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)

40、，其優(yōu)點(diǎn)是有著近半個世紀(jì)設(shè)計(jì)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，仍是現(xiàn)階段通用國際陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要伎倆。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)思想單一，對陰極保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)展態(tài)式無能為力。不能動態(tài)地對系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。 第六章 電化學(xué)保護(hù) 第65頁 當(dāng)代法是采取有限差分法、有效元法和邊界元法等數(shù)值分析方法對陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是計(jì)算機(jī)計(jì)算：有著良好應(yīng)用前景，缺點(diǎn)是對邊界條件要求苛刻，邊界條件試驗(yàn)準(zhǔn)確性直接影響到設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，不然結(jié)果將含有很大偏差。 不論是常規(guī)設(shè)計(jì)法還是當(dāng)代設(shè)計(jì)法并不是矛盾對立，而是相輔相成。只有將兩種方法有效結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，才能對陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，這也是今后發(fā)展方向。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第

41、66頁 陰極保護(hù)教授庫系統(tǒng)是陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)管理一個應(yīng)用方面，它是基于知識庫和教授推理機(jī)制而發(fā)展一個計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，對于不熟悉陰極保護(hù)人來說非常有用，也是屬于腐蝕保護(hù)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理應(yīng)用方面之一。 數(shù)據(jù)庫是腐蝕與防護(hù)學(xué)科一個主要組成部分，是幾年、幾十年數(shù)據(jù)積累，在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中占有主要地位，伴隨關(guān)系型數(shù)據(jù)庫發(fā)展，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)已脫離了冗余計(jì)算等繁瑣過程，多媒體數(shù)據(jù)庫編制已成為當(dāng)今時尚。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第67頁2. 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中數(shù)值計(jì)算方法1）傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)缺點(diǎn)與數(shù)值技術(shù)發(fā)展 在傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，犧牲陽極或外加電流系統(tǒng)輔助陽極在保護(hù)系統(tǒng)中位置主要是依據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以直觀方式確定。

42、 對于簡單海洋結(jié)構(gòu)，直觀設(shè)計(jì)是能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但對于復(fù)雜深水平臺，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法經(jīng)常會造成構(gòu)件上保護(hù)電位分布不均勻，有些構(gòu)件可能形成過保護(hù)，析氫并破壞構(gòu)件表面涂層，對于高強(qiáng)度材料甚至造成氫脆。同時，另一些構(gòu)件則可能因?yàn)楸Ｗo(hù)不足而發(fā)生各種腐蝕。對于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜深水導(dǎo)管架，構(gòu)件間相互屏蔽作用比較嚴(yán)重，采取經(jīng)驗(yàn)方法更難使保護(hù)電流到達(dá)均勻分布，尤其是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第68頁 在傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，各種環(huán)境數(shù)據(jù)，如海水流速、水溫、溶解氧含量等參數(shù)，在設(shè)計(jì)中只能定性參考，不能實(shí)際應(yīng)用于陰極保護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算中去，這是造成傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)過于保守主要原因。陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)電阻為RRa+ Rc

43、 + Rm，其中Ra是陽極與海水間電阻，可采取Dwight和Sunde方程計(jì)算；Rc是陰極與海水間電阻；Rm為陰極與陽極間金屬電阻。傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中同時忽略了Rc和Rm，但有顯著跡象表明，海洋結(jié)構(gòu)中Rc是應(yīng)該加以考慮，在一些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處如導(dǎo)管、樁袖處Rc值可能相當(dāng)高。 在環(huán)境惡劣海域，傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)保護(hù)顯著不足，比如在英國北海油田進(jìn)行一次海地管線調(diào)查表明，傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)不能使海地管線計(jì)劃到滿意保護(hù)電位，與新設(shè)計(jì)結(jié)果相差很大。新設(shè)計(jì)使手鐲式犧牲陽極間隔從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)500m減至120m，而把原來陽極與陰極面積比由1:632降至1:222，可見傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在惡劣海域不足。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第

44、69頁 因?yàn)殚_發(fā)海域逐步加深及平臺結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，尤其是深水張力腿式平臺，深達(dá)幾千英尺，使得深水平臺造價大幅度增加，高達(dá)幾千萬美元。對于一個使用壽命為2040a平臺，假如采取新設(shè)計(jì)方法可節(jié)約39%犧牲陽極重量，對于一個大型深水平臺，假如采取傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，就意味著將有幾百噸鋁合金被白白浪費(fèi)了，而且因?yàn)檫^多使用犧牲陽極而造成平臺載荷增加會影響平臺穩(wěn)定性，從而使導(dǎo)管架設(shè)計(jì)強(qiáng)度增加，由此造成浪費(fèi)也是很大。 在過去十幾年中，伴隨計(jì)算機(jī)普及，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對海洋結(jié)構(gòu)采取數(shù)值技術(shù)設(shè)計(jì)陰極保護(hù)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，這種趨勢和世界范圍內(nèi)在更深海域石油鉆探和生產(chǎn)活動相關(guān)，一些大型海洋結(jié)構(gòu)尺寸和復(fù)雜性都到達(dá)了空前程度，所以

45、，就要求有一個更完美、更可靠方法來設(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)系統(tǒng)。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第70頁 20世紀(jì)80年代初，美國首先將數(shù)值技術(shù)用于海洋采油平臺電位分布預(yù)測和陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，并取得了很大成功。這充分顯示了數(shù)值技術(shù)在海洋平臺陰極保護(hù)電位分布場研究中優(yōu)越性。 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算其基本原理就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，預(yù)先確定各種陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行陰極保護(hù)電位分布場數(shù)值計(jì)算，求出在這個方案中保護(hù)電位場，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功效進(jìn)行修改、調(diào)整及優(yōu)化。與傳統(tǒng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)相比，數(shù)值技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是：第六章 電化學(xué)保護(hù) 第71頁（1）平臺陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中利用數(shù)值方法，能夠同時進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案及其電位分布預(yù)測

46、，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止保護(hù)不足和過保護(hù)現(xiàn)象，假如給定迭代精度，也能夠確定陽極合理布置方案，以確保電位場均勻性；（2）依據(jù)電位分布及等位線圖，能夠預(yù)測腐蝕情況和進(jìn)行實(shí)時腐蝕速度檢測，從而改進(jìn)對平臺保護(hù)系統(tǒng)管理；（3）對各種環(huán)境參數(shù)及保護(hù)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，使設(shè)計(jì)方案最正確化，大幅度降低工程造價和降低犧牲陽極用量；（4）因?yàn)椴扇×擞?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，節(jié)約了設(shè)計(jì)時間，使原來需要幾個星期設(shè)計(jì)工作在很短時間內(nèi)完成，大大提升了工作效率。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第72頁2）數(shù)值技術(shù)在海洋結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用 一個復(fù)雜海洋平臺陰極保護(hù)所形成電位場是與許多空間不對稱陽極-陰極位置相關(guān)，他們相互干擾，相互評選，陰極極化行為

47、受到海水電阻率、流速、溶解氧含量、表面狀態(tài)及陰極極化史影響，這么多影響原因綜合作用，只有采取數(shù)值技術(shù)才能很好地加以考慮。數(shù)值技術(shù)依據(jù)能量守恒原理來確定電位場中電位強(qiáng)度及分布，采取適當(dāng)能量平衡模型和邊界條件，計(jì)算整個數(shù)值模型中能量最小條件下電位梯度和每個元素中維持這個最小能量平衡所需要電流，這就是數(shù)值技術(shù)求解陰極保護(hù)電位分布場基本原理。 即使陰極保護(hù)電位場問題支配方程為Laplace方程：V2E0第六章 電化學(xué)保護(hù) 第73頁 但詳細(xì)數(shù)值解法不盡一樣，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，這就是近年來在海洋結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中受到重視有限差分法、有限元素法和邊界元素法。（1）有限差分法（FDM） 有限差分法在腐蝕領(lǐng)域首次應(yīng)

48、用是在1964年由Klingen和Fleck進(jìn)行，但一直沒有受到重視。這種方法是復(fù)雜邊值問題近似離散方法，它被應(yīng)用于腐蝕電化學(xué)系統(tǒng)理論處理，并在海洋工程陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)檢測中得到應(yīng)用，如對結(jié)構(gòu)進(jìn)行電位測量，電場強(qiáng)度分析，電流密度和電位監(jiān)測。在工業(yè)設(shè)備中，有限差分法還被應(yīng)用于大型換熱器陰極保護(hù)電位場分布計(jì)算，經(jīng)過計(jì)算確定犧牲陽極最正確布置。 Munn使用有限差分法解Poisson方程計(jì)算電位分布，計(jì)算結(jié)果用來顯示指定點(diǎn)電位改變，這個程序可在微型機(jī)上運(yùn)行，經(jīng)過迭代法解方程組收斂很快。另外，也可用于非均勻電解質(zhì)電導(dǎo)率體系，如含有不一樣電導(dǎo)率多層電解質(zhì)體系和含有不一樣線性梯度體系。下面是Munn

49、用有限差分法計(jì)算兩個陰極保護(hù)體系實(shí)例。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第74頁 第一個實(shí)例為一個垂直立于海水中柱件，直徑30.5cm，在海水中深30.5m因?yàn)楹Ｋ妼?dǎo)率從表層到底層稍有改變，所以取電導(dǎo)率范圍從0.04Scm-1到0.035Scm-1，使用單個Zn犧牲陽極焊在水面下3.05m處，Zn陽極電位為一1005mV（Vs.Ag/AgCl）。 第二個實(shí)例為一個二維海水介質(zhì)陰極保護(hù)例子。保護(hù)海水罐是用來養(yǎng)海生物以供試驗(yàn)研究，罐中有兩根6 in銅管，銅管中通熱水以提升水溫，因?yàn)殂~管和罐體組成電偶腐蝕，所以陰極保護(hù)問題是怎樣布置Zn陽極，以到達(dá)最正確保護(hù)效果。 保護(hù)前罐體因?yàn)榕c銅管形成電偶腐蝕，腐蝕電位高達(dá)

50、550mV（vs.Ag/AgCl），經(jīng)過陰極保護(hù)，電位場等位線最高腐蝕電位為770mV（vs.Ag/AgCl）。罐體使用多年，保護(hù)效果很好。用有限差分法解Laplace方程，首先要用二階差商近似代替偏微分方程中二階偏微分，從而使方程變?yōu)椴罘中问健?第六章 電化學(xué)保護(hù) 第75頁第六章 電化學(xué)保護(hù) 第76頁第六章 電化學(xué)保護(hù) 第77頁（2）有限元素法（FEM） 有限元素法最初用于航空及航天結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析，是當(dāng)前認(rèn)識應(yīng)力應(yīng)變分析主要方法。同時，因?yàn)橛邢拊胤ㄊ墙饽芰渴睾泐愇锢韱栴}有力數(shù)值工具，所以在傳熱及連續(xù)介質(zhì)場問題中得到應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來，這個方法被應(yīng)用于許多電偶腐蝕研究和陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

51、中，Munn介紹了有限元素法用于解電位分布和在電解質(zhì)中多個金屬系統(tǒng)中電力線分布問題，能夠處理不規(guī)則幾何形狀和非線性極化行為。 Locheed采取了一個通用有限元程序NASTRAN來分析包含靜電場及陰極保護(hù)電位場問題，這個程序使用能量守恒原理來確定能量場強(qiáng)度及分布，計(jì)算了每個電解質(zhì)元素中維持最小能量平衡所需要電流。進(jìn)入陽極元素能量應(yīng)與離開陰極元素能量相等，這個程序能夠考慮節(jié)點(diǎn)或其它臨界區(qū)屏蔽作用，以及與時間相關(guān)極化行為。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第78頁 第二個通用有限元程序是由Casper和April在1983年提出，能夠用來計(jì)算電流場、電場強(qiáng)度、電位分布等場問題。 另外，還應(yīng)用FEM法設(shè)計(jì)和改進(jìn)了

52、海水罐內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)，原系統(tǒng)用了5個Zn陽極進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)榘磦鹘y(tǒng)方法設(shè)計(jì)而引發(fā)過保護(hù)，使罐內(nèi)涂層脫落，使用FEM設(shè)計(jì)后，用了5個Zn陽極，即到達(dá)滿意保護(hù)效果。Alben W.Forrest和John W.Fu等人介紹了有限元素法在銅圓環(huán)腐蝕電池系統(tǒng)中模型及實(shí)測結(jié)果。除了在海洋工程腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用外，有限元素法還被應(yīng)用于隙縫腐蝕和點(diǎn)蝕擴(kuò)展機(jī)制研究中。 有限元素法數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是變分法，把陰極保護(hù)電位分布場支配方程Laplace方程經(jīng)過變分，歸結(jié)為多元函數(shù)求極值，最終化為求解線性代數(shù)方程組，從而能夠得到滿足給定場問題數(shù)值解。這種很有規(guī)則方法輕易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，且易于適應(yīng)幾何形狀復(fù)雜區(qū)域邊界，比有限差分

53、法更靈活。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第79頁 解一個詳細(xì)陰極保護(hù)電位場，首先要對場變量進(jìn)行離散，即剖分為有限個元素，假如使用線性有限元，則在每一個元素上場變量是線性改變，選擇這么插值函數(shù)比較簡單，對普通場問題都能得到足夠準(zhǔn)確解。有限元素法優(yōu)點(diǎn)是能夠采取不一樣大小元素來離散求解區(qū)域，在電位梯度大區(qū)域能夠使用較小元素，而在電位梯度小地方，使用較大元素。這么，可在不增加節(jié)點(diǎn)和元素數(shù)量前提下，提升計(jì)算精度，降低對計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間要求。 有限元素法元素形狀很靈活，在二維問題中，可采取三角形，矩形，等參數(shù)四邊形等許各種元素。有限元素法另一個優(yōu)點(diǎn)是充分預(yù)計(jì)了元素對節(jié)點(diǎn)參數(shù)作用，因?yàn)槊總€元素劃分得足夠小，這么我們能夠

54、把其中變量近似看做線性分布。在海上平臺電位分布計(jì)算中，只要劃分得充分小，誤差不會很大。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第80頁（3）邊界元素法（BEM） 邊界元素法是由J.W.Fu，S.K.Chow和D.J.Danson以及M.A.Warne在1982年提出一個有效計(jì)算陰極保護(hù)電位方法。邊界元素法主要優(yōu)點(diǎn)是只需對腐蝕體系中陰極表面進(jìn)行離散剖分。因?yàn)椴灰粯悠史蛛娊赓|(zhì)區(qū)域，故大大降低了元素和節(jié)點(diǎn)數(shù)目。在數(shù)學(xué)上，邊界元素法經(jīng)過Green定理得到，Green定理指出，假如電中性條件存在于均勻介質(zhì)中，包圍這種介質(zhì)曲面電位分布一定滿足Green公式，這種曲面電位分布規(guī)律是均勻體性質(zhì)。即使在物理意義上邊界元素法很抽象，

55、然而Green定理已在許多應(yīng)用中得到證實(shí)，在用有限元素法計(jì)算過銅環(huán)陰極保護(hù)系統(tǒng)中電位分布后，John W.Fu和Jimmy.S.Kchow又采取邊界元素法進(jìn)行了計(jì)算，效果也很好，三維曲面Green公式為：第六章 電化學(xué)保護(hù) 第81頁 其中p，q是陰極表面上點(diǎn)，rp,q為此兩點(diǎn)間距離，nq為垂直陰極表面單位向量，上面方程是對包圍著介質(zhì)封閉曲面積分。在二維空間，介質(zhì)被約束在一條封閉曲面內(nèi)，公式為：I 為包圍介質(zhì)曲線。 由以上方程能夠看出，均勻介質(zhì)中任何一點(diǎn)電位都與整個曲面上電位分布相關(guān)，這就是P點(diǎn)在曲面上情況。假如P點(diǎn)在介質(zhì)中，上面方程要除2。比如，P點(diǎn)是介質(zhì)中點(diǎn)，三維空間方程為：第六章 電化學(xué)保

56、護(hù) 第82頁 對于海洋結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)來說，我們感興趣是在陰極表面上電位分布，所以可在整個陰極表面上進(jìn)行元素網(wǎng)格剖分，用每個元素中心點(diǎn)作為這個元素代表點(diǎn)。對每一點(diǎn)P，電位可由全部其它點(diǎn)積分表示，這么，曲面積分就可表示為每個元素和。假如有N個元素，就可建立N個聯(lián)立線性方程組，并利用N個線性方程解出N個點(diǎn)電位值。 與有限差分法相比，邊界元素法特點(diǎn)是不用離散電解質(zhì)區(qū)域，大大降低了求解區(qū)域內(nèi)元素及節(jié)點(diǎn)數(shù)目。同時，因?yàn)檫@些區(qū)域不是腐蝕工程師所感興趣地方，故能大大節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間。 但邊界元素法所形成矩陣不含有對稱性和稀疏性，所以，部分抵消了其節(jié)約計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間優(yōu)點(diǎn)。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第83頁3）陰極保護(hù)

57、電位場數(shù)值求解過程 （1）模型生成 在進(jìn)行電位分布計(jì)算之前，腐蝕系統(tǒng)幾何形狀及邊界條件必須以數(shù)學(xué)方式進(jìn)行處理，方便于計(jì)算機(jī)計(jì)算。這項(xiàng)工作可由人工進(jìn)行求解區(qū)域離散，節(jié)點(diǎn)拓?fù)?，元素信息編碼，并輸入計(jì)算機(jī)中。對于大型陰極保護(hù)設(shè)施及復(fù)雜海洋結(jié)構(gòu)，進(jìn)行人工剖分等一系列工作是不可能，除了要花費(fèi)時間外，更嚴(yán)重是可能產(chǎn)生錯誤，造成計(jì)算結(jié)果失實(shí)。不論是哪種數(shù)值方法或?qū)δ牟糠謪^(qū)域進(jìn)行離散，手工總是很困難，當(dāng)元素網(wǎng)格包含幾百甚至幾千個節(jié)點(diǎn)時，這項(xiàng)工作要占用大部分時間，所以，開發(fā)生成系統(tǒng)拓?fù)渥詣踊虬胱詣臃椒ㄊ呛苡斜匾５疆?dāng)前為止，還沒有完全通用模型生成系統(tǒng)，一些程序只能生成一個類型，如三角形或等參數(shù)四邊形元素等。第

58、六章 電化學(xué)保護(hù) 第84頁（2）方程求解 三種數(shù)值方法最終都將形成大量線性方程所組成方程組，所以方程求解是求電位分布主要一環(huán)，即使解方程算法很多，如消元法、迭代法及各自改進(jìn)方法，但必須依據(jù)詳細(xì)問題，加以選擇。（3）后處理 在計(jì)算求出各個節(jié)點(diǎn)電位值后，要進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，畫出等位線圖或電位曲面圖，進(jìn)行插值及平滑處理，這些工作都將由后處理程序完成。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第85頁（4）數(shù)值解精度 a邊界條件 數(shù)值計(jì)算中采取邊界條件除結(jié)構(gòu)幾何形狀、介質(zhì)電導(dǎo)率、陰極極化行為外，一個更主要動力學(xué)原因是實(shí)效作用。實(shí)效作用是鈣質(zhì)沉積層在陰極表面形成結(jié)果，實(shí)效原因與材質(zhì)，表面狀態(tài)，環(huán)境條件，陰極極化史和時間相關(guān)。在

59、陰極保護(hù)情況下，陰極電流會使陰極區(qū)產(chǎn)生氫氧根離子，同時，陰極附近海水中碳酸根離子濃度增加，引發(fā)碳酸鈣和氫氧化鎂沉積。采取稍高于實(shí)際極化慣用電流密度，可加速鈣鎂沉積層形成，用432 mAm-2電流密度，可取得良好鈣鎂沉積層。在918mAm-2電流密度時，鈣鎂沉積層最致密且含有等量碳酸鈣和氫氧化鎂。鈣鎂沉積層一旦形成，便可大大降低保護(hù)電流用量，不過在深海處因壓力大，碳酸鈣欠飽和，故不大輕易形成鈣鎂沉積層。當(dāng)電流密度低于某一臨界值時，鈣鎂沉積層不會增加，一樣，在進(jìn)行斷續(xù)陰極保護(hù)情況下，陰極表面鈣鎂沉積層也較連續(xù)保護(hù)時沉積層要薄，即鈣鎂沉積層形成和增加與電流密度和陰極極化史相關(guān)。第六章 電化學(xué)保護(hù) 第

60、86頁 鈣鎂沉積出現(xiàn)結(jié)果，致使溶解氧擴(kuò)散到陰極表面速度減慢，氧還原受到阻滯，使保護(hù)電流降低。 因?yàn)殇撛诤Ｋ嘘帢O極化行為隨時間改變，在到達(dá)穩(wěn)態(tài)之前，極化曲線是時間函數(shù)，只有準(zhǔn)確地測得電位-電流-時間關(guān)系，才能準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)在陰極保護(hù)下狀態(tài)。對于一個實(shí)際保護(hù)系統(tǒng)，簡單理論模型顯然是不能滿意地建立可靠程序來處理實(shí)效問題。只有建立大范圍陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，進(jìn)行大量試驗(yàn)及原位以及保護(hù)測量，才能很好地模擬實(shí)效作用。 在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時，邊界條件能夠在不一樣水平層次上測量，并逐步增加復(fù)雜程度，下面是幾個實(shí)際測量步驟。 （1）恒定電流密度，即在一定陰極保護(hù)電位下，邊界條件為常數(shù)值； （2）電流密度和電位為