阴极保护基本原理一、腐蚀电位或自然电位每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位（自然电位）。

腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。

腐蚀电位愈负愈容易失去电子，我们称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。

阳极区由于失去电子（如，铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤）受到腐蚀而阴极区得到电子受到保护。

相对于饱和硫酸铜参比电极(CSE)，不同金属的在土壤中的腐蚀电位（V）金属电位（CSE）高纯镁 -1.75镁合金(6%Al，3%Zn，0.15%Mn) -1.60锌 -1.10铝合金(5%Zn) -1.05纯铝 -0.80低碳钢(表面光亮) -0.50to-0.80低碳钢(表面锈蚀) -0.20to-0.50铸铁 -0.50混凝土中的低碳钢 -0.20铜 -0.20在同一电解质中，不同的金属具有不同的腐蚀电位，如轮船船体是钢，推进器是青铜制成的，铜的电位比钢高，所以电子从船体流向青铜推进器，船体受到腐蚀，青铜器得到保护。

钢管的本体金属和焊缝金属由于成分不一样，两者的腐蚀电位差有时可达0.275V，埋入地下后，电位低的部位遭受腐蚀。

新旧管道连接后，由于新管道腐蚀电位低，旧管道电位高，电子从新管道流向旧管道，新管道首先腐蚀。

同一种金属接触不同的电解质溶液（如土壤），或电解质的浓度、温度、气体压力、流速等条件不同，也会造成金属表面各点电位的不同。

二、参比电极为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。

饱和硫酸铜参比电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，在阴极保护领域中得到广泛采用。

不同参比电极之间的电位比较：土壤中或浸水钢铁结构最小阴极保护电位（V）被保护结构相对于不同参比电极的电位饱和硫酸铜氯化银锌饱和甘汞钢铁（土壤或水中） -0.85 -0.75 0.25 -0.778钢铁（硫酸盐还原菌） -0.95 -0.85 0.15 -0.878三、阴极保护阴极保护的原理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，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。

有两种办法可以实现这一目的，即，牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

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。

本人认为，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，迫使电流从土壤中流向被保护金属，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。

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。

阴极保护是一种控制金属电化学腐蚀的保护方法。

在阴极保护系统构成的电池中，氧化反应集中发生在阳极上，从而抑阻了作为阴极的被保护金属上的腐蚀。

阴极保护是一种基于电化学腐蚀原理而发展的一种电化学保护技术。

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。

图1 阴极保护原理的极化曲线说明:铁在中性水溶液中的实验极化曲线(实线)和真实极化曲线(虚线)以及镁的阳极极化曲线示意图电极反应方面任意两种金属/合金的组合，都可构成电化学电池；低电位者为电池的阳极，主要发生氧化反应；高电位者为阴极，主要发生还原反应。

由于阳极和阴极 之间存在着电位差，外部电连接的阳极和阴极之间将有电流流过电池，从而加速了阳极的腐蚀，同时抑阻阴极的腐蚀，使阴极金属获得阴极保护。

极化曲线和极化图方面根据混合电位理论，金属表面上局部阳极和局部阴极通过各自的极化而汇聚至一个共同的混合电位，即金属的自腐蚀电位Ecorr ；此时局部阳极的氧化反应速度与局部阴极的还原反应速度相等，即等于金属的自腐蚀电流icorr ，如图1所示。

图中给出了铁在中性水溶液中的局部阳极的真实极化曲线（Ee,aFPSA’）和局部阴极的真实极化曲线（Ee,cSMBD ），以及该体系的实验的阳极极化曲线（EcorrA ）和阴极极化曲线（EcorrGOBB’）。

阴极极化至任一电位时的外加负电流都等于此时极化后的局部阴极还原反应电流ic 与局部阳极氧化反应电流ia 之差。

当阴极极化使金属电极电位负移至局部阳极反应的平稳电位Ee,a 时，外加极化电流几乎就等于局部阴极电流，因为此时的局部阳极电流已可予以忽略不计，当然此时铁上腐蚀也就被完全抑阻了，即获得了完全阴极保护。

电位-pH 图方面电位-pH 图是从热力学说明阴极保护的理论基础。

图2是根据热力学计算获得的Fe-H2O 系电位-pH图。

可以看出，在pH=6~7的中性水中，铁呈活化腐蚀状态；通过外加负电流的阴极极化，可使铁的电极电位从腐蚀区进入免蚀区。

对铁，这是一个热力学稳定区，金属腐蚀停止，即此时铁获得了阴极保护。

金属界面反应玘阴极保护的图解说明 图3给出了铁在 NaCl 水溶液（或土壤）中于金属界面处发生的电化学腐蚀反应过程，以及阴极保护系统通过镁阳极或外电源产生的外加负电流对这些反应过程的作用影响，说明 了各种反应质点和反应产物的存在和传递。

由于阴极保护系统通过牺牲阳极或外电源，能对金属提供足够量的电子（施加所需的负电流），使金属界面呈负电性和达 到足够负的电极电位，从而抑阻氧化反应（Fe→Fe2++2e ）；此时还原反应所需电子完全从牺牲阳极或外电源获得。

由此实现了阴极保护，停止了金属的腐蚀过程。

图2 电位-pH 图上的阴极保护范围(Fe-H2O 系)图3 铁在NaCI水溶液中于金属界面处的电化学腐蚀反应过程及阴极保护作用的图解说明牺牲阳极法阴极保护：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。

牺牲阳极保护法的主要特点是：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。

外加电流法阴极保护：外加电流法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。

两种方法的保护原理相同，只是提供阴极电流的方式不同，且由此衍生出的设备装置和技术要求都有很大不同。

强制电流保护法的主要特点是：适用于长输管线和区域性管网的保护输出电流大，一次性投资相对较小安装工程量较小，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外加电流法阴极保护的方式：浅埋阳极地床技术浅埋阳极地床是指一支或多支阳极垂直（或水平）安装于地下1米或更深的土壤中，以提供阴极保护的阳极地床。

优点是保护范围大、经济、保护装置寿命长。

但受地形限制较大，存在阳极地床气阻随时间增大，电阻率增大的问题，它会造成地电位正移、电位梯度增大，导致对周围其它构筑物的杂散电流干扰不断严重。

深井阳极地床技术深井阳极地床是指一支或多支阳极垂直安装于地下15m或更深的井孔中，以提供阴极保护的阳极地床。

与常用的浅埋阳极地床相比具有使用时不受地形限制、干扰小、接地电阻小、能提供比浅埋阳极更均匀的保护电流、保护效果好等优点。

深井阳极地床应在地下金属构筑物密集、无法设置浅埋阳极、且如果使用普通的浅埋阳极会对邻近的金属构筑物产生干扰，或者地表的土壤电阻率高的场合使用。

分布式阳极地床技术分布式阳极地床是指阳极沿被保护管道近距离线性敷设，以提供阴极保护的阳极地床。

主要优点是保护电位沿管道均匀分布，可以避免长距离管道保护中过保护和保护不足同时存在的问题，对其他金属构筑物干扰影响最小，即使管道防腐层破损严重，也能保证电流的均匀分布，实现阴极保护，适用于不同土壤电阻率的土壤环境。

在石化厂区，地下输油、输气、输水、热力管道纵横交错，由于内部输送介质的强烈腐蚀，以及外部土壤和杂散电流干扰的腐蚀作用，泄露事故时有发生，导致管道设备非计划检修、更换，甚至影响到企业的生产运行，造成巨大的直接、间接损失。

所以，对整个石化厂区埋地管线进行区域性阴极保护以被越来愈多的企业所重视，这也是石化企业加强安全生产的需要。

在原有埋地管线追加阴极保护时，一般先从比较重要和急需保护的单根管线做起。

对此管线进行全面的调查(包括管道地理信息、土壤腐蚀情况、杂散电流、外防腐层状况和电连接情况)，在此基础上进行阴极保护设计并加以实施。

施工完毕后，对阴极保护效果进行检测、调整，直到达到保护要求。

在储罐区可以把几根管线和与其连接的储罐作为一个整体来考虑，进行小范围的区域性阴极保护。

在一个阴极保护系统内，不同管线之间和管线与储罐之间不需要电绝缘，同时也可以消除金属构筑物之间的相互干扰。

小范围的区域性阴极保护的投资比单个阴极保护工程投资的总和要小的多。

把整个石化厂区作为一个系统来考虑作区域性阴极保护是最理想最经济的方案，效果也最好。

但是整个石化厂区的金属构筑物十分复杂，阴极保护手段和阳极的选址很难满足众多因素的需要，所以一般采用的方式是把石化厂区先分成若干个小区域，每个区域中的金属构筑物综合考虑以达到阴极保护效果。

在小区域阴极保护基础上，再从整个石化厂区的角度进行考虑，调整阴极保护设施的位置，以消除小区域间的相互影响，最终实现整个厂区的区域性阴极保护。

适用范围：整个石化厂区或局部范围内的埋地管线、金属构筑物区域阴极保护法特点：a)总体投资小，经济性强。

b)对区域范围内的各类金属构筑物不需要电绝缘，同时也可以消除相互干扰。

c)保护效果显著。