陰極保護

陰極保護：為了防止通信線路或設備被腐蝕，而使被保護的設備對地保持負電位的一種防腐蝕措施。

中文名：陰極保護

外文名：CathodeProtection

別稱：無

應用學科：信息通信

特點：腐蝕、負電位、防腐蝕措施

陰極保護的原理是在線纜的金屬外皮上人為接入負電位，在一定距離之外的電極上接正電極，確保線纜的金屬外皮對地具有負電位。這樣就不會出現電流通過線纜的外皮向外流出的現象，這樣會起到保護線纜外皮的作用。如圖1所示。

圖1陰極保護原理

陰極保護使用的場合較多，它通常由一個電源變壓器和一個橋型整流器組成。陰極保護的電壓是可以調節的，使用的電源負荷較大。它把交流220V電源通過變壓器和整流電路變成直流，將負電極接至金屬外皮，正電極接地，確保線纜外皮對地保持適當的負電位，這樣線纜的金屬外皮就不容易受到腐蝕了。

陰極保護設備如果不用交流電，也可以用直流電池供電。但注意陰極設備應安裝在線纜外皮平均正電位最高的地點。

如上圖，陰極保護設備接地的正電極有大量的電流流出，如果採用金屬接地體，這會消耗很大；通常採用石墨電極作為接地體。

我們在術語“線路防蝕”中還提到陽電極的保護方法，這種防腐蝕措施的原理和陰極保護的原理是一致的。但陽電極的方法不需要電源。將陽電極與線纜金屬外皮相連並埋在地下，陽電極的電位高於線纜外皮電極的電位，它與電纜外皮構成原電池，由陽電極流向電纜外皮的電流，可以抵消電纜外皮流出的電流，這樣陽電極就代替線纜的金屬外皮受到腐蝕，“李代桃僵”通過犧牲陽電極的方式保護了電纜，大家應該知道，陽電極為何也稱為“犧牲電極”了吧。

CathodicProtection

金屬—電解質溶解腐蝕體系受到陰極極化時，電位負移，金屬陽極氧化反應過電位ηa減小，反應速度減小，因而金屬腐蝕速度減小，稱為陰極保護效應。利用陰極保護效應減輕金屬設備腐蝕的防護方法叫做陰極保護。

由外電路向金屬通入電子，以供去極化劑還原反應所需，從而使金屬氧化反應(失電子反應)受到抑制。當金屬氧化反應速度降低到零時，金屬表面只發生去極化劑陰極反應。

兩種陰極保護法：外加電流陰極保護和犧牲陽極保護。

1、犧牲陽極陰極保護是將電位更負的金屬與被保護金屬連接，並處於同一電解質中，使該金屬上的電子轉移到被保護金屬上去，使整個被保護金屬處於一個較負的相同的電位下。該方式簡便易行，不需要外加電源，很少產生腐蝕干擾，廣泛應用於保護小型（電流一般小於1安培）或處於低土壤電阻率環境下（土壤電阻率小於100歐姆。米）的金屬結構。如，城市管網、小型儲罐等。根據國內有關資料的報道，對於犧牲陽極的使用有很多失敗的教訓，認為犧牲陽極的使用壽命一般不會超過3年，最多5年。犧牲陽極陰極保護失敗的主要原因是陽極表面生成一層不導電的硬殼，限制了陽極的電流輸出。產生該問題的主要原因是陽極成份達不到規範要求，其次是陽極所處位置土壤電阻率太高。因此，設計犧牲陽極陰極保護系統時，除了嚴格控制陽極成份外，一定要選擇土壤電阻率低的陽極床位置。

2、外加電流陰極保護是通過外加直流電源以及輔助陽極，是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處於電子過剩的狀態，使金屬表面各點達到同一負電位，使被保護金屬結構電位低於周圍環境。該方式主要用於保護大型或處於高土壤電阻率土壤中的金屬結構，如：長輸埋地管道，大型罐群等。

1.所有強制電流電源每兩月檢查一次，間隔長一些或短一些也可能是合適的。運行正常的判據是：電流輸出、正常的功耗、表示正常運行的信號或官道上令人滿意的陰極保護水平。

2.作為預防性維護計劃的一部分，為最大限度地減少使用中的損壞，所有強制電流保護設施應每年檢查一次。檢查內容包括電氣故障、安全接地的連接點、儀錶的精度、效率及迴路電阻。

3.反向電流開關、二極體、干擾跨接和其他保護裝置等，如果失效可能危及構築物的保護，其正常的功能檢查應每兩個月一次。

4.應定期檢查並評價絕緣接頭、電連續性跨接及套管絕緣的有效性，可通過電測量完成。

在採用陰極保護時，應具備以下條件：

1.被保護構築物必須是可導電的金屬件，且具有足夠低的縱嚮導電率；

2.與低歐姆的接地裝置不得有金屬導電性連接；

3.容器和管道均應具有足夠電阻率的防腐層。

註：隨著防腐層電阻的增大，保護電流密度相應地降低，越加有利於電流均勻分佈，擴大保護範圍。當保護電流密度增大時對外部裝置的干擾影響也增加。

若管道建在或運行在高壓電裝置附近，就必須遵循Akf第三號推薦標準。若考慮到防爆和放接觸電壓，需要與接地的外部設備進行電連接或者這類連接決不可被取消，這是應按照Afk第九號標準推薦採用局部陰極保護技術。

陰極保護技術已經發展成熟，廣泛應用到土壤、海水、淡水、化工介質中的鋼質管道、電纜、鋼碼頭、艦船、儲罐罐底、冷卻器等金屬構築物等的腐蝕控制。

1834年——法拉第→陰極保護原理奠定基礎

1890年——愛迪生→提出強制電流保護船舶

1902年——柯恩→實現了愛迪生的設想

1905年——美國用於鍋爐保護

1906年——德國建立第一個陰極保護廠

1913年——命名為電化學保護

1924年——地下管網陰極保護

常用陰極保護的基本原則是將受保護的構築物與所有低接地電阻的裝置實現電分離。但是，這在工業裝置上是個很大的技術難題，因為管子非常多，管徑相當大。要將它們實現電分離不僅費用昂貴，而且在正常使用中，它們可能與外部裝置電接觸或絕緣接頭跨接，容易產生很多問題。在管道系統改造或擴建過程中，這個問題尤為突出。在爆炸危險的裝置和輸送電解液的管道上實施陰極保護也存在技術難題。如果用大口徑管道輸送低電阻率的電解質，那麼在絕緣接頭未受保護一側，就會有被陰極保護電流引發內腐蝕的危險。

在工業裝置上管道的腐蝕危險一般比長輸管道中的腐蝕危險大，因為在大多數情況下，管道會與鋼筋混凝土基礎形成腐蝕電池。在不同種類的工業裝置區域內能夠利用區域陰極保護來克服這種腐蝕危險，所用方法類似於局部陰極保護的方法。受保護的區域是沒有限制的，也就是說管道與連接的和分支的管道之間是沒有電絕緣的。

局部陰極保護的目的不僅是要補償外部陰極構築物的電池電流，而且要使被保護的構築物充分陰極極化，從而滿足陰極保護準則要求。因為被保護的構築物與外部陰極構築物之間的接觸電阻非常低，並且外部陰極構築物的接地電阻非常低，所以不成比例的大部分陰極保護電流要流到外部陰極上。設置強制電流輔助陽極地床的目的就是要增加被保護的構築物的保護電流分量。除了受保護的構築物與外部陰極構築物的幾何尺寸外，土壤的電阻率對其有很大影響。與常規陰極保護不同的是，受保護的構築物基本上是在強制電流輔助陽極的電壓錐範圍內。為此，考慮到各個組成部分不同的保護電流需要量，所以不能把土壤當做一個等電位空間來看待。在局部陰極保護中管地電位的變化只與附近的參比電極有關係，而與遠方大地電位少有聯繫。

由於土壤條件的差異以及與混凝土中鋼筋陰極形成腐蝕電池，加劇了工業裝置中埋地設施的腐蝕危險。這些外部陰極的靜電位介於U=-0.2~-0.5V之間。影響電池形成的因素有水泥的類型、混凝土的水灰比、混凝土的充氣狀態等。電池電流密度取決於很大的陰極面積。在工業裝置上，混凝土中鋼的表面積通常大於10000平方米。

為了使所有管子受到全面的陰極保護，外部陰極構築物必須極化達到保護電位，即在外部陰極構築物附近的Uon必須肯定比Us更負。與此相比，受保護的構築物的陰極保護電流需要量小的可以忽略不計，在工業裝置中保護電流需要量一般都超過100A。

1）重要性

1972年，美國NACE協會估計每年損失是100億美元，1976年BMR研究所調查每年損失接近700億美元。美國國會非常震驚，對此要求貿易部進行證實，1982年發表的數據是每年損失126億美元。考慮到國家高速公路、水、廢水、廢氣、地下儲罐、因腐蝕造成的污染，每年的損失是3000億美元，佔GDP的5%。1998年，我國工程院歷時3年對全國的腐蝕進行調查，調查結果表明我國腐蝕造成的損失達5000多億元。

2）腐蝕原因

金屬是從礦石中提取出來的，在提煉過程種必須要給它一定的能量，使其處於高的能量狀態。材料基本規律總是趨向於最低的能量狀態，因此金屬都是熱力學不穩定的，具有和周圍環境（如氧和水）發生反應的趨勢，以達到較低的、更穩定的能量狀態，如生成氧化物。以鐵為例：陽極：Fe-2e→Fe2+陰極：O2+4e+2H傳鈀4OH-Fe2++2OH-→Fe(OH)Fe(OH)2+1/2O+H傳鈀二Fe(OH)錠

3）腐蝕傾向

對於所有的金屬的腐蝕傾向理論上採用電位的概念進行比較。電位負的金屬，活性較強，容易發生腐蝕。電位正的金屬活性相對較弱，腐蝕傾向性小。

4）控制措施

多年的實踐證明，最為經濟有效的腐蝕控制措施主要是覆蓋層(塗層)加陰極保護。與國外相比，我國75%的防蝕費用用在塗裝上，而電化學保護使用的相對較低。

5）施加塗層后，為什麼還會腐蝕

塗層的作用主要是物理阻隔作用，將金屬基體與外界環境分離，從而避免金屬與周圍環境的作用。但是有兩種原因會導致金屬腐蝕。一是塗層本身存在缺陷，有針孔的存在；二是在施工和運行過程中不可避免塗層會破壞，使金屬暴露於腐蝕環境。這些缺陷的存在導致大陰極小陽極的現象，使得塗層破損處腐蝕加速。

陰極保護技術有兩種：犧牲陽極陰極保護和強制電流（外加電流）陰極保護。

1）犧牲陽極陰極保護技術

犧牲陽極陰極保護技術是用一種電位比所要保護的金屬還要負的金屬或合金與被保護的金屬電性連接在一起，依靠電位比較負的金屬不斷地腐蝕溶解所產生的電流來保護其它金屬。優點：A:一次投資費用偏低，且在運行過程中基本上不需要支付維護費用B:保護電流的利用率較高，不會產生過保護C:對鄰近的地下金屬設施無干擾影響，適用於廠區和無電源的長輸管道，以及小規模的分散管道保護D:具有接地和保護兼顧的作用E:施工技術簡單，平時不需要特殊專業維護管理。缺點：A:驅動電位低，保護電流調節範圍窄，保護範圍小B:使用範圍受土壤電阻率的限制，即土壤電阻率大於50Ω.m時，一般不宜選用犧牲陽極保護法C:在存在強烈雜散電流干擾區，尤其受交流干擾時，陽極性能有可能發生逆轉D:有效陰極保護年限受犧牲陽極壽命的限制，需要定期更換

2）強制電流陰極保護技術

強制電流陰極保護技術是在迴路中串入一個直流電源，藉助輔助陽極，將直流電通向被保護的金屬，進而使被保護金屬變成陰極，實施保護。優點：A:驅動電壓高，能夠靈活地在較寬的範圍內控制陰極保護電流輸出量，適用於保護範圍較大的場合B:在惡劣的腐蝕條件下或高電阻率的環境中也適用C:選用不溶性或微溶性輔助陽極時，可進行長期的陰極保護D:每個輔助陽極床的保護範圍大，當管道防腐層質量良好時，一個陰極保護站的保護範圍可達數十公里E:對裸露或防腐層質量較差的管道也能達到完全的陰極保護缺點：A:一次性投資費用偏高，而且運行過程中需要支付電費B:陰極保護系統運行過程中，需要嚴格的專業維護管理C:離不開外部電源，需常年外供電D：對鄰近的地下金屬構築物可能會產生干擾作用

1）普通鋼陰極保護準則

◆施加陰極保護時被保護結構物的電位負移至少達到-850mV或更負(相對飽和硫酸銅參比電極CSE)。◆相對於飽和硫酸銅參比電極的負極化電位至少為850mV。◆在構築物表面與接觸電解質的穩定參比電極之間的陰極極化值最小為100mV。◆存在硫酸鹽還原菌的環境，被保護結構物的電位負移至950mV(CSE)或更負。

2）鋁合金陰極保護準則

◆構築物與電解質中穩定參比電極之間的陰極極化值最小為100mV，準則適用於極化建立或衰減過程。◆極化電位不應負於-1200mV（CSE）。

3）銅合金陰極保護準則

◆構築物與電解質中穩定參比電極的陰極極化值最小為100mV。極化建立或衰減過程均可以被應用。

4）異種金屬陰極保護準則

◆所有金屬表面與電解質中穩定參比電極之間的負電壓等於活性最強的陽極區金屬的保護電位。

5）高強鋼陰極保護準則

◆700MPa以上的鋼腐蝕速率降低至0.0001mm/a的保護電位為-760～-790mV(Ag/AgCl)。◆在存在硫酸鹽還原菌的環境下，鋼屈服強度大於700MPa，保護電位應在800-950mV(Ag/AgCl)的範圍內。◆屈服強度大於800MPa的鋼，其保護電位應不低於-800mV(Ag/AgCl)。

1）什麼是強制電流陰極保護系統？

強制電流陰極保護系統又稱為外加電流系統，是在被保護結構周圍同一電解質環境中埋設輔助陽極，通過一直流電源以輔助陽極為陽極，以被保護結構為陰極，構成供電迴路，將直流電通向被保護的金屬，使被保護金屬強制變成陰極以實施陰極保護。

2）什麼是犧牲陽極陰極保護系統？

犧牲陽極法是用一種電位比所要保護的金屬還要負的金屬或合金與被保護的金屬電性連接在一起，依靠電位比較負的金屬不斷地腐蝕溶解所產生的電流來保護其它金屬的方法。

3）強制電流陰極保護系統的組成有什麼？

強制電流陰極保護系統主要由電源、控制櫃、輔助陽極、焦炭（碳素）填料、電纜、控制參比電極、電位測試樁、電流測試樁、保護效果測試片、電絕緣裝置、電絕緣保護裝置。

4）電源的作用是什麼？

電源的作用是向陰極保護系統不間斷提供電流。電源主要有恆流、恆壓整流器、恆電位儀。

5）電源的類型主要有哪幾種？

從整流形式上主要有可控硅、磁飽和、數控高頻開關。可控硅和磁飽和恆電位儀體積較大、紋波係數較大、控制精度較差，效率較低(低於70%)不易實現數字化。磁飽和恆電位儀除了上述不足外，額定功率20%以下的輸出無法控制。數控高頻開關恆電位儀體積較小、紋波係數小、控制精度高、效率較高（90%以上）。

6）輔助陽極的作用是什麼？

輔助陽極的作用是通過介質(如土壤、水)與管道之間形成電迴路。通過在陽極表面發生電化學反應，不斷向陰極結構提供電子，從而使陰極極化到保護電位。

7）輔助陽極的種類有多少?

輔助陽極根據有廢鋼、硅鐵、石墨、混合氧化物陽極、柔性陽極、貴金屬電極等。

8）控制參比電極的有那些？

控制參比電極主要有長壽命飽和硫酸銅參比電極、高純鋅參比電極、銀/氯化銀參比電極、二氧化鉬參比電極。土壤中可使用飽和硫酸銅參比電極和高純鋅參比電極，水介質中使用高純鋅參比電極和銀/氯化銀參比電極。二氧化鉬參比電極主要用於混凝土中。飽和硫酸參比電極的壽命一般小於10年。其它的參比電極可以根據壽命來設計。

9）為什麼需要採用電絕緣？

在陰極保護技術中，要求被保護結構需要電絕緣，主要是由於如果不絕緣，保護電流會流失到未被保護的金屬構築物上，設計的電流需求量可能不足，保護效果不理想，另外，可能會產生雜散電流的干擾。電絕緣要根據結構的實際情況進行考慮。

10）測試樁的作用是什麼？

測試樁的作用主要是用於檢測陰極保護效果和運行參數。根據作用不同有電位測試樁、電流測試樁、保護效果測試片測試樁樁。

11）犧牲陽極陰極保護系統的組成有什麼？

土壤中，犧牲陽極陰極保護系統主要有犧牲陽極、填包料、和測試樁組成。水環境中，除導線連接外，犧牲陽極也可直接焊接到被保護結構上。

12）犧牲陽極主要有那些？

對於鋼鐵來說犧牲陽極主要有鎂合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極、鋅合金犧牲陽極。鎂合金犧牲陽極主要應用於高電阻率的土壤環境中。鋁合金和鋅合金主要用於水環境介質中。鋅合金也可用於土壤電阻率小於5Ω?m的環境中。

對於其它金屬來說，活性較高的金屬都可以用作它的犧牲陽極，如用鐵作為犧牲陽極來保護銅。

1）陰極保護投入前的準備和驗收

陰極保護投入前應該對被保護管道進行檢查。沒有絕緣就沒有保護，在施加陰極保護電流之前，必須確保管道各項絕緣措施正確無誤，管道表面防腐層應無漏敷點，被保護管道應具有連續性的導電性能。

2）陰極保護站的日常維護管理

檢查各電氣設備電路連接的牢固性，安裝的正確性，電器元件是否有機械障礙。檢查配電盤上熔斷器的保險絲是否按規定接好。觀察電器儀錶，在專用的表格上記錄輸出電流、通電電位數值，與之前的記錄對照是否有變化。定期檢查工作接地和避雷器接地，並保證其接電電阻不大於10歐姆。搞好站內設備的清潔衛生，注意保持室內乾燥，通電良好，做好通風，防止儀器過熱。

3)犧牲陽極的維護

1、管道犧牲陽極的保護日常維護工作不多，除按外加電流陰極保護的要求進行保護電位測量，測試樁維護保養，絕緣接頭檢測，接地故障排除等工作外，建議每年測定各參數。據此分析管道保護狀況。若樣機性能變壞，則需採取相應的措施。

2、在年度檢測時，可以測量犧牲陽極的輸出電流，修復斷開的電纜。

3、如果陽極輸出電流明顯減小，而陽極並沒有達到其壽命，陽極電纜短路是常見的原因。可以將電流表串聯在陽極電纜中測量陽極輸出電流，也可以在陽極電纜中串聯一支0.1Ω的電阻，通過測量該電阻上的電壓降，計算陽極電流輸出。

4、陽極的接地電阻為陽極開路電位減去陽極閉路電位再除以陽極輸出電流。

4）陰極保護系統常見故障分析

1、管道絕緣不良，漏電故障的危害

在陰極保護站投入運行，或犧牲陽極保護投產一段時間后，出現了在規定的通電點位下，輸出電流增大，管道保護距離卻縮短的現象或者在犧牲陽極的系統中，犧牲陽極組的輸出電流量增大，其值已超過管道的保護電流需要，但保護點位仍達不到規定的指標的現象。稱之為印記保護管道漏電。

2、造成漏電的原因

施工不當、絕緣接頭失效或漏電、金屬套管穿越處、管道與接地網短路。

3、如何判斷管道與接地網短路

判斷接地極與管道是否短路，可採用測量電位的方式。利用參比電極分別測量管道和接地極的電位，短路的接地極電位和管道電位是一樣的。或測量接地極及管道的之間的電位差，如果兩者之間電位為零，則可以判斷，接地網與管道短路。

4、防腐層漏電點的查找

利用DCVG查找管道防腐層破損點，從而確定管道的漏電點或短接點的方法。此方法首先將脈衝信號送到被測管道上，如果管道防腐層良好，流入管道的電流很弱，儀錶沒有顯示。如果管道防腐層有破損，電流將從土壤中通過破損處漏入管道，電流的流動會在周圍土壤中產生明顯的電位梯度。當探測人員手持兩個參比電極在管道正上方探測行走時，伏特計獎明信的抖動，當伏特計指針停止抖動時，兩個參比電極的中間即為防腐層漏點位置。

5)管道沿線近間距電位測量

通常採用在測試樁上測量點位的方式來檢查陰極保護系統工作狀況，採用這種方式，即便管道塗層出現漏點，如果該漏漏點距離測試樁較遠，就很難通過測試樁電位測量來發現。因此，電位測量建和越近，測量結果越嫩反應管道陰極保護的實際情況。為了消除IR降，在陰極保護電路中裝中短器，所有與被檢測管道相連的電源都要同時通斷，從而測量袋管道的通、斷電位。

6)管道防腐層老化檢測

電磁法可以反應防腐層的總體狀況，管道埋深以及塗層缺陷位置。其原理是給管道輸入一個電壓信號，檢測器沿管道檢測信號的衰減程度。在防腐層均勻的情況下，信號的衰減呈平滑的曲線，當信號有突然的衰減時，說明該管道上有塗層漏點。

7)陰極保護系統中維護種的安全問題

再去工地的路上，不論是乘車、乘船、乘飛機，都要注意安全。野外測量時，注意毒蛇、猛獸的襲擊。在整流器上工作時，斷開面板上的開關不代表對設備內部進行操作就安全。應該斷開交流電源，並安裝安全鎖及標籤。接觸整流器前要用電筆試一下外殼是否帶電。

陰極保護是基於電化學腐蝕原理的一種防腐蝕手段。美國腐蝕工程師協會（NACE）對陰極保護的定義是：通過施加外加的電動勢把電極的腐蝕電位移向氧化性較低的電位而使腐蝕速率降低。犧牲陽極陰極保護就是在金屬構築物上連接或焊接電位較負的金屬，如鋁、鋅或鎂。陽極材料不斷消耗，釋放出的電流供給被保護金屬構築物而陰極極化，從而實現保護。外加電流陰極保護是通過外加直流電源向被保護金屬通以陰極電流，使之陰極極化。該方式主要用於保護大型或處於高土壤電阻率土壤中的金屬結構。

保護電位是指陰極保護時使金屬腐蝕停止（或可忽略）時所需的電位。實踐中，鋼鐵的保護電位常取-0.85V（CSE），也就是說，當金屬處於比-0.85V（CSE）更負的電位時，該金屬就受到了保護，腐蝕可以忽略。

陰極保護是一種控制鋼質儲罐和管道腐蝕的有效方法，它有效彌補了塗層缺陷而引起的腐蝕，能大大延長儲罐和管道的使用壽命。根據美國一家陰極保護工程公司提供的資料，從經濟上考慮，陰極保護是鋼質儲罐防腐蝕的最經濟的手段之一。

陰極保護行業在國內的發展已日趨成熟，隨著行業及國家標準的日趨完善，陰極保護專業技術與實際性能也越來越被長輸管線及儲油罐大型項目的投資者所青睞，過去投資過的項目通過幾年的檢測與評估確實達到了良好的效果。怎樣做到投資與效果統一，必須做到設計現場實際測量考察且選擇知名度較高、技術過硬的陰極保護廠家。

國內做陰極保護設計過硬的設計院：廊坊管道局設計院、中國石油西南設計院、勝利油田設計院、華北設計院等。

國內知名度較高的陰極保護廠家：

青島的七二五所、福建三明無線電二廠、山東奧科防腐、河南第一防腐、天津管道防腐、河南中興防腐等。