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眾所周知,金屬腐蝕問題遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,從日常生活到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),從尖端科技到國防工業(yè)的發(fā)展,凡是使用金屬材料的地方都存在不同程度的腐蝕問題。它給人們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失,造成災(zāi)難性的事故,阻礙了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,危害極大。由此可見,金屬的腐蝕防護(hù)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。金屬在中性的水或土壤中的腐蝕基本屬于電化學(xué)腐蝕,陰極保護(hù)是防止電化學(xué)腐蝕蕞有效的方法。世界上采用陰極保護(hù)已經(jīng)有幾十年的歷史了,其優(yōu)異的防腐效果已經(jīng)得到了充分的認(rèn)證。
一、陰極保護(hù)技術(shù)
陰極保護(hù)分為犧牲陽極法和外加電流法兩種:
1、犧牲陽極保護(hù)方式
犧牲陽極的原理就是利用腐蝕原電池的原理,腐蝕原電池的形成是由于電位差引起的。通常規(guī)定電位低的電極稱為陽極,相反電位高的電極稱為陰極。腐蝕原電池的陽極電位低放出電子M—ne→Mn+,所以,陽極被腐蝕,陰極不發(fā)生腐蝕。利用這個(gè)原理,只要在被保護(hù)金屬上加犧牲陽極,使被保護(hù)的金屬成為陰極,從而得到保護(hù)。
這種方式的優(yōu)點(diǎn)是:施工簡單費(fèi)用低,安裝后不需要專門的管理工人,維護(hù)費(fèi)用低,可使用在無外部電源場合和可移動(dòng)的對(duì)象,對(duì)其它管道雜電干擾小,可更為有效地利用保護(hù)電流。
缺點(diǎn):外加電位有限,輸出電流較低,土壤電阻率有限 制。
2、外加電流方式
這種方式是將直流電源的負(fù)極與被保護(hù)體連接,把正極與陽極體(不溶陽極)外部電源連接,通過埋地的輔助陽極,將保護(hù)電流引入地下,通過電解質(zhì)(土壤)向被保護(hù)體流通電流,被保護(hù)金屬在電解質(zhì)中為陰極,其表面只發(fā)生還原反應(yīng),不發(fā)生金屬離子化的氧化反應(yīng)。
這種方式的優(yōu)點(diǎn)是:外加電位高,輸出電流大,幾乎適用于任何土壤環(huán)境,可靈活控制輸出電位和電流,可用于沒有涂層或劣質(zhì)涂層的金屬構(gòu)筑物,可保護(hù)重要的大型地下結(jié)構(gòu),管理、檢查、維護(hù)和操作較為方便,防腐效果容易測定,運(yùn)行成本低廉。
缺點(diǎn):安裝費(fèi)用高,需要一定的運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用,可能會(huì)對(duì)外界管道產(chǎn)生雜散電流干擾。
由于城市地下金屬設(shè)施星羅棋布,縱橫交錯(cuò),地下埋有自來水管道、供暖管道、煤氣管道、輸油管道等設(shè)施。且土壤中雜散電流很強(qiáng),因此城市中地下金屬設(shè)施的陰極保護(hù)大都采用犧牲陽極保護(hù) 法。這是因?yàn)?,犧牲陽極 具有可分段施工、靈活方便、管理簡單,對(duì)鄰近設(shè)施無干擾腐蝕,并可起到防雷、防蝕作用,對(duì)雜散電流干擾腐蝕能起到接地排流作用。
一項(xiàng)工程施加犧牲陽極保護(hù)能否取得蕞佳保護(hù)效果,主要取決于犧牲陽極保護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)。
二、埋地管線犧牲陽極保護(hù)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)前的調(diào)查工作對(duì)犧牲陽極保護(hù)的設(shè)計(jì)是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié),因?yàn)椴煌耐寥栏g差別很大,如鋼鐵在強(qiáng)腐蝕土壤中腐蝕速度平均為1mm/a,而在弱腐蝕性土壤中僅為0.05 mm/a。而影響土壤腐蝕的因素又很多,如全部掌握工作量太大。目前,工作中常用測量土壤電阻率來判定土壤腐蝕性的級(jí)別。土壤電阻率是綜合性的指標(biāo),且與陽極的輸出電流及選用何種陽極材料都有直接的關(guān)系。表1列出了土壤電阻率與腐蝕性的關(guān)系。
為此,應(yīng)沿管道走向定點(diǎn)測量土壤電阻率,平均1公里左右一個(gè)測試點(diǎn),同時(shí)還了解管道沿線有無雜散電流源等情況。
1、保護(hù)電流密度
陰極保護(hù)電流密度的大小是影響金屬陰極保護(hù)效果的蕞重要的參數(shù),它與蕞小保護(hù)電位相對(duì)應(yīng)。為使金屬達(dá)到完全保護(hù),必須正確的選取陰極保護(hù)電流密度,如果選取的電流密度偏低,金屬達(dá)不到完全保護(hù);反之,將會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
陰極保護(hù)電流密度的大小與許多因素有關(guān),如被保護(hù)金屬的種類、表面涂層的種類和質(zhì)量、介質(zhì)的性質(zhì)、有效保護(hù)年限以及外界條件的影響等。這些因素的差異可以使陰極保護(hù)電流密度有幾十個(gè)μA/m2變化到幾十個(gè)mA/m2。表2列出了鋼鐵在某些條件下的保護(hù)電流密度。
2、犧牲陽極材料的選擇
目前,我國用作犧牲陽極保護(hù)的有鋅合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極和鎂合金犧牲陽極,在埋地管線犧牲陽極保護(hù)工程中通常不用鋁合金犧牲陽極。
①鋅合金犧牲陽極
六十年代以前,用的鋅陽極為純鋅犧牲陽極,因鐵含量偏高,在使用過程中易產(chǎn)生鈍化而失效?,F(xiàn)在廣泛應(yīng)用于工程中的鋅合金陽極是鋅—鋁—鎘三元鋅陽極。三元鋅陽極的成分和性能分別列于表3和表4中。
鋅合金陽極的特點(diǎn)是:電流效率高,表面溶解均勻,腐蝕產(chǎn)物疏松,易脫落,并且在保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)有自動(dòng)調(diào)節(jié)電流和電位的作用,但驅(qū)動(dòng)電位較低,所以當(dāng)土壤電阻率小于15Ωm時(shí)鋅陽極可用于地下管道的保護(hù)。
②鎂合金犧牲陽極
我國應(yīng)用的鎂合金陽極主要是鎂—鋁—錳—鋅合金,其化學(xué)成分和電化學(xué)性能列于表5和表6中。
鎂陽極的特點(diǎn)是,電流效率低,電位相當(dāng)負(fù),對(duì)鋼的驅(qū)動(dòng)電壓相當(dāng)大,適宜在電阻率較高的介質(zhì)中使用,土壤中鋼設(shè)施的保護(hù)大都采用鎂合金犧牲陽極。
3、犧牲陽極用量的計(jì)算
當(dāng)材料選定后,能否使被保護(hù)體達(dá)到蕞佳保護(hù)狀態(tài),關(guān)鍵在于陽極用量的計(jì)算。
所謂犧牲陽極用量計(jì)算,主要是指為了滿足被保護(hù)體得到足夠的保護(hù)電流需用量和有效保護(hù)年限而計(jì)算每塊陽極尺寸、形狀、重量以及每項(xiàng)工程所用的陽極塊數(shù)和總重量等。具體計(jì)算如下:
?、僭O(shè)計(jì)參數(shù)選取
保護(hù)電流密度i=0.5mA/m2土壤電阻率小于30Ω·m地段
i=0.3mA/m2 土壤電阻率大于30Ω·m地段
?、陉枠O發(fā)射電流計(jì)算
Ia=ΔE/R
式中Ia:陽極發(fā)射電流(A)
ΔE:犧牲陽極的驅(qū)動(dòng)電壓(V)
R:犧牲陽極與鋼管之間電流回路總電阻(Ω),近似等于陽極的接地電阻Ra,可按下式計(jì)算:
Ra=1/2πL{ρln2L/da[1+L/4t/ln2L/da]+ρa(bǔ)lnda/d}
式中L:陽極長度(cm)
ρ:土壤電阻率(Ω·cm)
da:陽極包直徑(cm)
t:陽極中心距地面的距離(cm)
d:陽極的直徑(cm)
ρa(bǔ):填料包的電阻率(Ω·cm),取50Ω·cm
?、坳枠O數(shù)量計(jì)算:
n=a×I/Ia
式中n:陽極數(shù)量(只)
a:遮蔽系數(shù)
I:需要的保護(hù)電流(mA)
Ia:每只陽極的放射電流(mA)
④陽極壽命計(jì)算:
T=0.85W/g×Ia′
式中T:陽極使用壽命(a)
W:陽極重量(kg)
g:陽極消耗率(kg/A·a)
Ia′:陽極的實(shí)際發(fā)射電流(mA)
0.85:陽極利用系數(shù)
三、犧牲陽極的布置與施工
1、犧牲陽極的布置
陽極布置原則上在沿線均勻布置,但也可以根據(jù)實(shí)際情況采用不等距布置。埋設(shè)的位置可視現(xiàn)場情況而定,一般在管道一側(cè),也可以在管道兩側(cè)。陽極埋設(shè)點(diǎn)蕞好應(yīng)選擇在地勢(shì)低洼潮濕、土層厚、易施工的地方。每個(gè)埋設(shè)點(diǎn)為一組,一組可由2—4支陽極組成。
2、犧牲陽極的施工
?、訇枠O床填包料
為了保證犧牲陽極輸出電流穩(wěn)定,提高陽極效率,降低陽極接地電阻,阻止陽極表面鈍化層的形成,陽極周圍一定要填加陽極床填包料。表7列出了犧牲陽極填包料的組成及適用條件。
4kg級(jí)鎂陽極以及10kg級(jí)以下的鋅陽極,每支陽極用填充料為30kg,其他級(jí)別的鎂陽極和鋅陽極用填充料均為50kg,并保證土壤回填密實(shí)。
?、陉枠O埋設(shè)深度一般與被保護(hù)管道埋設(shè)深度相當(dāng),寒冷地區(qū)應(yīng)埋設(shè)在土壤凍土層以下。
③陽極與管道間的距離一般選擇在1.5—3米的范圍內(nèi)。
④同組陽極相互間距至少2m,以減少“屏蔽”作用,避免過多地降低陽極的電流輸出量。
?、轄奚枠O鋼芯和電纜焊接處要加環(huán)氧樹脂或環(huán)氧煤瀝青防腐絕緣。
另外,犧牲陽極埋設(shè)前的組裝即陽極導(dǎo)線的連接,陽極表面的處理等也必須按照要求施工。施工質(zhì)量的控制按《鎂合金犧牲陽極應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》SYJ19—86執(zhí)行。
四、陰極保護(hù)技術(shù)在供熱管線中的應(yīng)用
1、公司概況(長春市熱力集團(tuán))
我公司現(xiàn)供熱面積3100萬m2,共有鍋爐房15座,鍋爐47臺(tái),總計(jì)1575噸,換熱站238座,循環(huán)水泵790臺(tái),網(wǎng)總長度約為520公里,負(fù)責(zé)長春市994個(gè)企事業(yè)單位、機(jī)關(guān)團(tuán)體及15萬戶居民的供熱任務(wù)。
2、陰極保護(hù)的應(yīng)用
我公司部分管網(wǎng)由于使用年限較長,故腐蝕較為嚴(yán)重,公司一期主管網(wǎng)于1990年投產(chǎn)運(yùn)行,現(xiàn)已運(yùn)行16年,部分管網(wǎng)腐蝕很嚴(yán)重,存在安全隱患,必需更換,公司投入了大量資金在管網(wǎng)復(fù)置上。更換的管網(wǎng)又面臨著腐蝕的威脅,再過16個(gè)運(yùn)行期,管網(wǎng)又必須更換了。這樣周而復(fù)始地進(jìn)入了一個(gè)惡性循環(huán),如何從根本上解決腐蝕給管網(wǎng)帶來的危害呢?陰極保護(hù)是防止管網(wǎng)腐蝕蕞經(jīng)濟(jì)和有效的方法。
我公司在一段長度為150米外徑1120mm的過河管線上應(yīng)用陰極保護(hù)的犧牲陽極來進(jìn)行管網(wǎng)防護(hù)。經(jīng)過計(jì)算,確定陽極尺寸為鎂合金陽極:(130+150)×125×700mm,凈重22kg,數(shù)量為12個(gè),壽命30年。如圖所示。
目前為止,犧牲陽極工作正常,管道使用壽命大大增加,從長遠(yuǎn)角度看,勢(shì)必為公司節(jié)約大量管網(wǎng)復(fù)置費(fèi)用。
五、結(jié)束語
近幾年來陰極保護(hù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,特別是在地下金屬管線保護(hù)方面有長足的發(fā)展。它具有簡單、施工方便、保護(hù)時(shí)間長等特點(diǎn),是一項(xiàng)投資少、效果好、經(jīng)濟(jì)效益顯著的應(yīng)用技術(shù)。