燃?xì)夤艿缽?qiáng)制電流陰極保護(hù)
評(píng)論: 更新日期:2013年08月10日
二、輔助陽極地床
輔助陽極是在陰極保護(hù)裝置中,將保護(hù)電流從外加直流電源引入土壤中的導(dǎo)電體,外加電流通過輔助陽極輸送到埋地的被保護(hù)金屬管道的表面,金屬體陰極極化。
(一)輔助陽極
強(qiáng)制電流用輔助陽極多選用電子型導(dǎo)體材料。選用輔助陽極主要應(yīng)考慮成本、電化學(xué)性能和機(jī)械性能等因素。這些因素是相互關(guān)聯(lián)的。具
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圖10-36 太陽能陰極保護(hù)系統(tǒng)
1—太陽能電池方陣 2—充電控制器 3—蓄電池組 4—陰極保護(hù)控制裝置 5—連接電纜
體材料的選擇不只是涉及到總費(fèi)用,而且還必須考慮陰極保護(hù)系統(tǒng)的初期費(fèi)用和被保護(hù)設(shè)備及陰極保護(hù)裝置在設(shè)計(jì)壽命期間的維護(hù)、運(yùn)行及更新費(fèi)用。
適合作輔助陽極材料的導(dǎo)電體應(yīng)具備以下條件:
1.具有良好的導(dǎo)是性能,能通過較大的電流量,極化小。
2.與土壤或地下水接觸時(shí)具有穩(wěn)定的接觸電阻。
3.化學(xué)穩(wěn)定性好,陽極本身的消耗低。
4.機(jī)械性能了,便于加工和安裝。
5.來源廣、價(jià)格低廉。
輔助陽極材料分為如下幾大類:
稀有金屬在:以鉑為主,其基材可分為鉭、鈦、鈮等。
黑色金屬類:以廢鋼鐵、高硅鑄鐵為主要代表。
鉛系材料:以鉛銀合金、鉛鉑為主要代表。
碳素材料:以石墨為主要代表。
有色金屬材料:以鋁、鋅為主、也可當(dāng)作輔助陽極用。
另外還有復(fù)合式陽極。
在土壤和淡水中,應(yīng)用最多是廢鋼鐵、石墨及高硅鑄鐵材料。
廢鋼鐵是用于強(qiáng)制電流輔助陽極最早的陽極材料。其優(yōu)點(diǎn)是來源廣,價(jià)格便宜,常使用報(bào)廢的舊裝置;其缺點(diǎn)是消耗率高,可達(dá)9~10kg/A·a。鋼鐵陽極的工作電流密度不必限制,在運(yùn)行時(shí)以鐵的電解腐蝕為主要陽極反應(yīng),所以在電極上析出氣體很少,沒有“氣阻”問題。
高硅鑄鐵材料問世于1912年,長(zhǎng)期以來作為化學(xué)工業(yè)的耐蝕材料應(yīng)用。其主要成分為:14%Si,0.7%Mn,0.95%C,余量為鐵。在陽極條件下工作的硅鑄鐵,表面生成二氧化硅膜,滲透性很好,是良好的電子導(dǎo)體。但高硅鑄鐵耐鹵素的性能很差,所以它的使用應(yīng)限制在含C1-小于萬分之二的環(huán)境中。為了改善耐C1-的能力,可在高硅鑄鐵中添加1%~3%的鉻,稱之為高硅鉻鐵。自1959年以來,它已廣泛應(yīng)用于海水或含氯化物的土壤環(huán)境中。其典型成分為:14.4%Si,0.7GMn,1.0%C,4.25%Cr,余量為鐵。高硅鑄鐵在應(yīng)用中,應(yīng)注意“氣阻”和搬運(yùn)中的脆斷。
高硅鑄鐵陽極一般為圓柱形,可使陽極的腐蝕均勻。它又有空心與實(shí)心之分,空心陽極的利用率比較高。
對(duì)陽極引出線有限制的原因,是為了減小接線的電阻。因此也對(duì)引出導(dǎo)線的截面有16mm2的要求,以便在陰極保護(hù)進(jìn)行中,使電能的消耗大部分用于被保護(hù)金屬的防護(hù)。根據(jù)規(guī)范,陽極引出線的接觸電阻應(yīng)小于0.01Ω,其拉脫力值應(yīng)大于陽極自身重量的1.5倍。接頭應(yīng)密封可靠,陽極表面應(yīng)無明顯的缺陷。
高硅鑄鐵陽極使用性能與常用規(guī)格見表10-53和表10-54。
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表10-53 高硅鑄鐵陽極使用性能
種類 | 允許電流密度/(A/m2) | 消耗率/(kg/A·a) | 使用環(huán)境 |
高硅鑄鐵陽極 | 50~80 | <0.5 | 土壤、淡水 |
高硅鉻鐵陽極 | 50~80 | <0.5 | 含氯離子土壤、海水 |
表10-54 常用高硅鑄鐵陽極規(guī)格
序號(hào) | 陽極規(guī)格 | 陽極引出線規(guī)格 | 參考質(zhì)量/kg |
直徑/mm | 長(zhǎng)度/mm | 截面積/mm2 | 長(zhǎng)度/mm |
1 | 50 | 1500 | 16 | >1000 | 22 |
2 | 75 | 1500 | 16 | >1000 | 35 |
3 | 100 | 1500 | 16 | >1000 | 80 |
石墨陽極是公認(rèn)的耐蝕材料,也是微溶性材料。尤其是耐氯性能好,因此可應(yīng)用于海水和含氯化物的土壤中。但由于它質(zhì)脆。安裝不方便,在使用上頗受限制。近年來多用樹脂浸漬石墨以增強(qiáng)其機(jī)械性能,這種石墨稱為不透性石墨。但不透性石墨電阻較大,陽極表面電流分布不均勻,在電流集中處易斷裂。
我國在地下電纜和長(zhǎng)輸管道的防護(hù)中,均使用了石墨陽極。石墨陽極在加拿大、美國等應(yīng)用較廣泛。從1927年使用起,至今已有較長(zhǎng)的歷史。
石墨陽極的石墨化程度應(yīng)大于或等于81%、灰分應(yīng)小于0.5%。石墨陽極宜經(jīng)亞麻油或石蠟浸漬處理。石墨陽極的主要性能指標(biāo)見表10-55,常用規(guī)格見表10-56。
石墨陽極的陽極引出線接觸電阻應(yīng)小于0.01Ω,拉脫力數(shù)值應(yīng)大于陽極自身重量的1.5倍。且接頭應(yīng)密封可靠。
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表10-55 石墨陽極的主要性能
密度/(g/cm3) | 電阻率/(Ω·mm2/m) | 氣孔率(%) | 消耗率/(kg/A·a) | 允許電流密度/(A/m2) |
1.7~2.2 | 9.5~11.0 | 25~30 | <0.6 | 5~10 |
表10-56 常用石墨陽極規(guī)格
序號(hào) | 陽極規(guī)格 | 陽極引出線規(guī)格 | 參考質(zhì)量/kg |
直徑/mm | 長(zhǎng)度/mm | 截面積/mm2 | 長(zhǎng)度/mm |
1 | 75 | 1000 | 16 | >1000 | 10 |
2 | 100 | 1450 | 16 | >1000 | 23 |
3 | 150 | 1450 | 16 | >1000 | 51 |
為提高耐蝕性,可用樹脂浸漬。用亞麻油浸漬則可降低氣孔,抑制可能引盧的陽極脹裂或過早失效、表面氣體的析出及碳的氧化。浸漬后的陽極壽命可延長(zhǎng)約 50%。
石墨陽極不能在有氧浸入、呈酸性和硫酸鹽離子較高的地方長(zhǎng)期使用。如厙拿大薩斯喀溫省東南,20年期間已有數(shù)百個(gè)陽極地床被損壞,經(jīng)過土壤分析確認(rèn),是硫酸鹽的浸蝕性所致,使陽極使用的壽命僅為2~3年。
磁性氧化鐵陽極是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型難溶性陽極材料。主要是用磁鐵礦和鐵氧體經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成磁性氧化鐵粉末。再采用專門的鑄造技術(shù),將磁性氧化鐵粉末鑄成中空有底的圓柱陽極。
磁性氧化鐵具有消耗低、使用壽命長(zhǎng)、受溫度變化影響小的優(yōu)點(diǎn)。
磁性氧化鐵的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是:Fe3O492%~93%(FeO約占30%,F(xiàn)e2O約占 62%~63%),SiO24%~6%。CaO、MgO、Al2O3分別占0.1%~1%。
為了在整個(gè)陽極表面得到盡量均勻的電流密度,整個(gè)內(nèi)表面鍍一層銅。
陽極長(zhǎng)度約800mm,外徑60mm,壁厚5~10mm。磁性氧化鐵陽極的電阻率很低,反允許通過的電流密度約20~50A/h·m2,消耗率為0.02~0.15kg/A·a。其機(jī)械性能與高硅鐵相似,也具有硬、脆的特點(diǎn)。在日本、加拿大、瑞典都有應(yīng)用。特別是適用于土壤中,也可用于海水和淡水中。因此,被認(rèn)為是今后外加電流陰極保護(hù)中最具前途的陽極材料。
常用的陽極材料特性見表10-57。
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表10-57 輔助陽極材料及性能
陽極材料 | 主要成分 | 消耗率/(kg/A·a) | 允許電流密度(A/m2) |
高硅鑄鐵 | Si14.5%,Dr4.5% | 0.1~1.0 | 5~80 |
石墨 | C | 0.4~1.3 | 5~10 |
磁性氧化鐵 | Fe3O4 | 0.003~0.008 | 100~1000 |
鋼鐵 | Fe | 9.1~1.0 | ? |
上述陽極材料是在陰極保護(hù)中技術(shù)成熟、使用普遍的輔助陽極材料,在我國也廣泛應(yīng)用(除磁性氧化鐵外)。各國均根據(jù)本國資源及技術(shù)條件來選用陽極材料。如在海水中金屬構(gòu)筑物的防護(hù),美國過去用石墨陽極,后來用鍍鉑鈦陽極,近年來開始采用鉑鈀合金陽極;英國采用鍍鉑鈦、鉛銀合金,近年來在試驗(yàn)鍍鉑鉭;日本則采用鉛銀合金和鉛鉑復(fù)合電極。
(二)參比電極
陰極保護(hù)中經(jīng)常需要測(cè)量和控制設(shè)備的電位,使其處于保護(hù)電位之內(nèi)。要測(cè)量電位,就需要一個(gè)已知電位的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的電極,將待測(cè)電位與之比較。這種電極稱為參比電極,即參比電極是一種電位恒定的基準(zhǔn)電極。在測(cè)量中,用這個(gè)電極的電位差來表示被測(cè)物的電位值。參比電極除電位穩(wěn)定外,還應(yīng)具有易于制作、便于攜帶、電位精確、重復(fù)性好、測(cè)量方便、壽命較長(zhǎng)及價(jià)格便宜的特點(diǎn)。
在陰極保護(hù)中常選擇可逆電極來做參比。如甘汞電極(中性介質(zhì)中)、硫酸電極(土壤、中性介質(zhì))、氯化銀電極(海水、氯離子穩(wěn)定的中性介質(zhì)中)、氧化汞電極(堿性介質(zhì))等。以上幾種電極都是電極材料和帶有特種電解液組成的半電池電極。這種電極較貴,發(fā)裝易損壞,使用不方便。還有一種固體電極,是由電極材料直接與腐蝕介質(zhì)組成的半電池,常用的是金屬和一些合金材料,如不銹鋼、碳銅、鋅、鎂等。這種固體參比電極牢固耐用,使用、安裝方便,但穩(wěn)定度、精確度都不如可逆電池。使用前,要先講行標(biāo)定。
國內(nèi)陰極保護(hù)多采用可逆不極化硫酸銅參比電極,用硫酸銅參比電極和恒電位儀組成自控信號(hào)源。但由于液體硫酸銅參比電極的密封性難以保證,且需要經(jīng)常添加硫酸銅溶液,冬季又容易凍結(jié),影響了恒電位儀的連續(xù)自動(dòng)控制,所以,國外也采用固體電極作恒電位儀的參比電極。如鎂電極和鋅電極。在固定環(huán)境中使用其極化值可以保證要求的精度,但使用中要有填料來保證電極電位的穩(wěn)定性。
長(zhǎng)壽命埋地型硫酸銅電極由兩部分組成:電極本身與為改善電極工作環(huán)境的填包料。用這種導(dǎo)電填包料來取代便攜式液體CuSO4電極中的飽和硫酸銅溶液,克服了溶液的滲漏問題。
導(dǎo)電填包料主要成分為石膏粉、硫酸鈉和膨潤(rùn)土,其作用為:
石膏粉:微溶可塑性材料??稍诔睗駰l件下長(zhǎng)期保證SO-24的濃度,改善了土壤環(huán)境的離子污染程度。
硫酸鈉:改善填料的導(dǎo)電能力,降低電阻率。
膨潤(rùn)土:遇潮膨脹并能長(zhǎng)期保持濕度,使電極在工作中長(zhǎng)期和土壤結(jié)合緊密,永久維持濕潤(rùn)。
總之,填包料隔絕了電解液滲漏的渠道,并使電極永遠(yuǎn)處于潮濕糊狀,有利于電極的工作,其效力可達(dá)10年以上。
這種參比電極已在少數(shù)輸油管道進(jìn)行了償試,實(shí)際壽命還有待進(jìn)一步探測(cè)。長(zhǎng)壽命埋地型參比電極,克服了液體便攜式參比電極每1個(gè)月,甚至1個(gè)星期就要加1次液,每?jī)赡昃透鼡Q1次電極的缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是安裝后可用幾年甚至10年再更換,節(jié)約人力物力,同時(shí)還使測(cè)量精度提高,降低IR降,也為陰極保護(hù)在無人地區(qū)的推廣使用提供了前提。
(三)輔助陽極地床回填料
焦炭碴主要成分是碳,它是輔助陽極的理想回填料。多孔且導(dǎo)電良好,用于填包高硅鑄鐵陽極、石墨陽極可避免“氣阻”,并起到加大陽極尺寸,減小陽極拉地電阻,延長(zhǎng)陽極壽命的作用。
回填焦炭的顆粒度是應(yīng)用中的關(guān)鍵。顆粒太大,則呈現(xiàn)大的局部接觸電阻,導(dǎo)致不均勻的消耗;顆粒太細(xì),對(duì)避免“氣阻”不利。有時(shí)可填加一些化合物來改善工作性能,例如加10%的熟石灰來阻止因電滲透造成的濕度損失的趨勢(shì),有時(shí)在非常干燥的條件下可使用硫酸鈣。
由于使用回填焦炭把電解型導(dǎo)電轉(zhuǎn)化為電子型導(dǎo)電,使得陽極消耗由陽極主體轉(zhuǎn)到焦炭上,以生成CO和CO2為主要反應(yīng),大大降低了陽極體的消耗率。當(dāng)完全氧化反應(yīng)時(shí),其焦炭的消耗為1.0kg/A·a,而實(shí)際的消耗率只有0.25kg/A·a,這主要取決于環(huán)境條件。
典型的焦炭回填料見表10-58中。
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表10-58 焦炭回填料特性
顆粒度(過篩) | 25mm | 占8% | 電阻率 | 50Ω·cm | - |
20~25mm | 占34% | 化學(xué)成分 | 碳 | >85% |
16~20mm | 占39% | 水分 | <5% |
10~16mm | 占17% | 揮發(fā)性物質(zhì) | <1% |
10mm | 占2% | 灰分 | <8% |
密度 | 約580kg/m3 | - | 硫 | <1% |