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1、第五章 电化学保护及应用 第一节 概述 一、电化学保护的特点 1、电化学研究的方法 1）恒电位法 2）恒电流法 3）动电位法 4）极化阻力法 5）交流阻抗法 2、特点和分类：电化学保护法：通过改变金属/介质电极电位的方法来达到保护金属，避免遭受腐蚀的目的。原理：当施加外部电流于金属上，金属的电极电位会发生改变，或者更正或者更负，当其值电位达到一定的值时，可减缓或停止金属的腐蚀 。,电化学保护法：分为阴极保护和阳极保护两种。 第二节 阴极保护阴极保护：使被保护物体成为电化学体系中的阴极，进行阴极极化，从而使其受到保护的一种电化学保护方法。一、阴极保护的基本原理 1、外加电流阴极保护： 如图51所
2、示，将被保护金属设备与直流电源的负极相连依靠外加阴极电流进行阴极极化而使金属得到保护的方法，称为外加电流阴极保护；2、牺牲阳极保护：在被保护金属设备上连接一个电位更负的强阳极促使阴极极化，这种方法叫做牺牲阳极保护。也称护屏保护。,阴极保护主要应用于如下环境中： （）淡水及海水中用以防止码头、船舶、平台、闸门、冷却设备的腐蚀； （）碱及盐类溶液中用以防止储槽、蒸发罐、熬碱锅等的腐蚀； （）土壤及海泥中，用以防止管道及电缆等的腐蚀。,阴极保护往往适合腐蚀性不太强的介质，不宜用于酸性介质。牺牲阳极保护的原理与外加电流阴极保护完全相同，其区别在于：为了使被保护金属的阴极极化所需要输入的电流，前者靠一具
3、有更负电位的金属腐蚀溶解提供，后者则靠外加直流电源提供。,二、阴极保护的基本参数1、保护电位 定义：最阴极保护时使金属上的总电位达到腐蚀微电池阳极的平衡电位，使金属腐蚀停止所需的电位值,即阴极保护时使金属腐蚀停止所需的电位。 其值大小为一定的范围，若小于最低值则不能起到保护效果，若大于最大值则可能发生析氢，导致氢脆。阴极保护电位常作为阴极保护是否充分的基准。,2、 最小保护电流密度 最小保护电流密度：达到完全保护（腐蚀速度降到最低）所需最小电流密度。“过保护”：由于过大的保护电流密度所对应的较负的保护电位下，作为阴极的被保护金属表面析氢，一方面使周围溶液的碱性升高，加速金属腐蚀，（如两性金属铝
4、、铅等可能会发生这种情况），另一方面，可能会引起金属氢脆。,电流强度I保=Ik1-IA1当E=EA0时，金属上的阳极溶解电流IA=0，表示微电池腐蚀停止，也就是说金属得到了完全保护。,最小保护电压：在阴极保护下，当金属刚好完全停止腐蚀时的临界电压。往往电流密度难以测量，所以测定金属在所处介质中的电压来评定其保护程度。一般通过实验测得。,3、最佳保护参数最适宜的阴极保护是指既能达到较高的保护程度（P），又能得到较大的保护效率（Z）。其中 P保护程度，%Icorr未加阴极保护时的金属腐蚀电流密度，A/m2Ia阴极保护时的金属腐蚀电流密度，A/m2,其中：Iappl阴极保护时外加电流密度，A/m2
5、阴极保护时电位负移值：其中：R气体常数（8.31J/）T绝对温度，K F法拉第常数（96500 ）,阴极保护的衡量：保证阻止金属最危险的溃疡腐蚀（点蚀、缝隙腐蚀），此时，允许金属以不大的速度（0.1mm/a）进行均匀腐蚀，最正确的保护决定于距阳极最远点电位的负移值，通常认为该值应为50mV。,其中横坐标为钢的电位从自然电位负移的值,三、 牺牲阳极和外加电流阴极保护系统1、牺牲阳极（护屏保护）,牺牲阳极必须满足下列要求： 有足够负的、稳定的电位（但不能太小，避免阴极析氢），使用过程中很少极化 有高而稳定的电流效率（自腐蚀电流小） 原料来源充足，价格低廉，不污染环境 加工制造简便，具有合乎要求的力
6、学性能 适用于导电性良好的电解质或土壤，电解质导电性越好，阳极的作用半径越大。 护屏与被保护金属的面积之比为一定值（该值目前还无法用理论计算，由实验数据而得） 护屏尽可能固定在靠近最容易腐蚀的部位 护屏与介质间的迁移阻力需保持最小（护屏的腐蚀产物应该可溶）,2、外加电流阴极保护, 辅助阳极：在外加电流阴极保护系统中，与直流电源正极相连的外加电极，其作用是使电流从阳极经介质到达被保护结构。 辅助阳极的要求： 1)导电性能良好。 2)电流量大。 3)耐腐蚀，消耗量小，使用 寿命长。 4)具有一定的机械强度， 耐磨，耐冲击振动 5)容易加工，便于安装。, 阳极屏由于电流有选择电阻最小的途径流动的特性
7、，被保护构件上距离阳极最近的部位，电阻最小，将聚集很高的电流密度，而距离阳极最远的部位的电流密度可能又小到达不到保护要求。作用：防止阳极周围的被保护结构的电位太负而析出氢气，同时避免溶液由于析氢导致碱性过大，使附近的涂层破坏。 对阳极屏的要求及种类：P121, 参比电极作用：测量被保护金属结构的电位和向恒电位仪提供信号，以调节保护电流的大小，使被保护金属处于保护电位范围之内。,三、阴极保护的实例, 阴极保护的注意事项：1） 被保护金属表面必须具有最小的保护电流密度。2） 为了使电流均匀地分布在被保护构件表面上，辅助电极与被保护构件间的距离不宜太小。通常不小于25cm。3） 腐蚀介质应具有较高的
8、导电性，并将被保护金属完全浸没，以保证金属表面上的电流均匀分布。4） 辅助阳极具有良好的导电性和力学性能。四、阴极保护的操作步骤 1）收集设计参数 2）设计阴极保护系统 3）制造安装阴极保护系统 4）现场测试及定期检查五、对阴极保护系统的监控,第四节 阳极保护,一、阳极保护的基本原理：原理：利用金属在电解质中依靠阳极极化建立钝态的特性而实施的保护方法。将系统中被保护金属与电源的正极相连作为阳极，负极接到一辅助阴极上，当阳极电流密度达到致钝电流时，金属发生钝化，电位达到稳定钝化区。,阳极保护常用方法：1）连续自动控制法2）间歇操作法 阳极保护的适用介质：1）用于硫酸、磷酸等有机酸；2）用于氨水及
9、铵盐溶液；3）用于纸浆生产。,二、主要参数1）致钝电流ipp：是金属在给定环境条件下，发生钝化所需要的最小电流密度。其大小表示金属在给定环境中钝化的难易程度。致钝电流的大小与金属的本性和介质条件有关，同时也与通电时间的长短有关，致钝电流越小越好，ipp越小要使金属设备建立钝态所需的电源装置的容量越小。但ipp越小电流效率越低（部分电流用于电解腐蚀），当ipp低于一定的值时，ipp全部用于电解腐蚀（电流效率几乎为零）。,一般在工艺条件允许的情况下，可采用逐步钝化的方法，这样，在整个致钝过程中，总的电流可以大大减小，因此，可选用容量较小的电器设备，又能减小金属设备的电解腐蚀。电流密度的大小决定致钝
10、时间分段致钝,2）维钝电流ip：ip越小越好，因其直接反映了在阳极保护下金属的腐蚀速度，同时，在长期的维钝过程中，ip越小，金属在钝态下的腐蚀速度越小，电能消耗也小，防腐效果越好。,3）稳定钝化区的电位范围：阳极保护时需维持的安全电位范围。该范围越宽越好，因为钝化区电位范围越宽对电位控制精度就不必过高要求，其允许电位波动范围越大，而且介质的浓度、温度等条件变化的范围也就可以更大。最佳保护电位参数：钝化膜最致密、电阻最大、保护效果最好的阳极保护电位。,三、阳极保护系统 1、阳极保护系统示例阴极反应：PH较低时：2H+2eH2PH较高时：O2+2H2O+4e4OH-,2、实施阳极保护的几个问题：
11、1）选择正确的阴极材料：阴极材料在很高的阴极电流密度下应该耐腐蚀，在大多数介质中，会发生阴极表面析出大量的氢气和容易碱性增高的情况。为降低所需电能，应适当增大阴极面积某些介质中碳钢作阴极材料，在辅助阴极的电流密度不小于5A/m2时，其本身也处于阴极保护下。,2）参比电极 作用：监测被保护结构的电位。一般安装在距阴极最远或电位最低的部位。3）直流电源 要求：低电压高电流，输出可调。,4）阳极保护的控制方式:控制电位法间隙保护法 联合保护（阳极保护+涂层或缓蚀剂）四、阳极保护的注意事项 P139五条,阳极保护的应用：金属在腐蚀介质中，如果通过一定的阳极电流以后，在其表面能形成钝化膜，原则上就可以应
12、用阳极保护的方法进行防护。阳极保护的限制： 1）只能用于液相中金属的防护； 2）溶液中氯离子和卤素离子达到一定临界浓度后，当钝化膜不稳定甚至不能形成时，不能用阳极保护； 3）致钝电流密度太大及钝化电位范围小于50mV，不能应用。,阳极保护和阴极保护的比较,(1)保护对象：一切金属(除负效应金属之外)都可采用阴极保护，而只有能钝化的金属才能采用阳极保护，所以阳极保护对象要狭窄得多；(2)对阴极保护而言，保护电位偏离可能只是保护效率的变化，不会引起腐蚀增加，但有可能引起阴极氢脆；而阳极保护时，电位下降到活化区，或上升到过钝化区，都有可能导致腐蚀增大；,(3)金属压力容器在阴极保护时电位过负可能造成
13、氢脆，而阳极保护时，氢脆只会出现在辅助阴极上，被保护设备无氢脆危险；(4)阴极保护的辅助电极为阳极，易发生腐蚀，所以在强腐蚀环境的化工介质中采用阴极保护时，辅助阳极材料较难选择，而阳极保护的辅助电极本身受到一定保护；,(5)阴极保护中保护电流不代表保护后的腐蚀速度，只要电位控制得当，理论上金属腐蚀速度可降到零；阳极保护达到稳定钝化后，维钝电流密度接近保护金属的实际腐蚀速度，无论如何控制电位，阳极保护金属的腐蚀速度不可能降到维钝电流以下；(6)阳极保护为了建立钝化，必须先经过一个腐蚀阶段，使电流增大达到致钝电流密度，所以阳极保护的电源容量一般要比阴极保护时大得多；,(7)金属自然腐蚀速度越大，采
14、用阴极保护所付出的能量也越大，所以强腐蚀(氧化)环境优先考虑采用阳极保护，当阳极保护和阴极保护都能采用，而且效果相似时，应优先考虑阴极保护(装置简单、技术可靠)，除非有严重氢脆危险；(8)阴极保护中存在明显屏蔽效应，而阳极保护时、其影响比较小，阳极保护可用于结构较复杂的设备。,五、阳极保护的优点及费用 优点：P140 费用：六、阳极保护和阴极保护的比较,思考题：处理浓度为20%的NaCl溶液的碳钢设备，可否实施阳极保护？为什么？,2、 碳钢贮槽贮存H2SO4。已知碳钢在此酸中的腐蚀速率为2.5克/米2时，贮槽厚度为16mm（满足强度要求的壁厚为10mm），生产需要该贮槽连续使用5年，问能否满足要求？如果不能满足要求，拟在开始使用时就在贮槽中心部位安装一牺牲阳极进行保护。保护后该贮槽的腐蚀电流密度i=0.6安/米2，试校验该贮槽能否安全使用5年（已知铁的原子量56，碳钢的密度为7.8克/厘米3，法拉第常数为9.65x104C/mol）。,
