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水工金属结构埋件上阴极保护技术的应用

2020-06-27 305 上传者：管理员

摘要：制作了水工金属结构埋件模型，研究不同种类牺牲阳极和外加电流方法对埋件的保护作用，以寻找切实可行的水工金属结构埋件长效保护方案。结果表明：采用牺牲阳极法进行阴极保护，当溶液电导率为2000μS/cm时，镁合金对水工金属结构埋件的保护距离可达到100cm，具有较好的保护效果；铝合金和锌合金由于表面钝化作用，对水工金属结构埋件起不到保护作用。恒电位极化方法可在不同电导率情况下对埋件起到较好的保护效果。

关键词：
恒电位极化
水工金属埋件
铝阳极
锌阳极
镁阳极
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随着我国水利工程建设的不断发展，修建了大量水闸、水库、水电站及船闸等水利工程设施。水工金属结构是水利水电枢纽中不可缺少的重要设施[1]，埋件也是水工金属结构的重要组成部分。由于它们长期在水中工作或在干湿交替的环境中运行，受各种水质及微生物的侵蚀，同时会受到水流、泥沙及一些漂浮物的摩擦，普遍会发生不同程度的腐蚀。根据SL105-2007《水工金属结构防腐蚀规范》，目前埋件外露面普遍采用金属涂层+软涂层复合保护的方法，埋入面则采用喷水泥砂浆的方法进行保护。由于闸门滑块或者滚轮的摩擦作用，涂层很容易脱落导致埋件生锈。由于埋件可更换性差，更换成本高，延长埋件使用寿命刻不容缓。

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构施加一个外加电流，被保护结构成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生[2,3,4]。阴极保护技术在化工、冶金、石油石化、燃气行业、港口金属结构保护方面得到了广泛的应用，是一种延长金属结构使用寿命行之有效的方法。本工作将阴极保护技术应用于水工金属结构埋件，以期为埋件提供切实可行的长效保护方式。

1、试验

1.1 埋件

试验用埋件委托三门峡水工机械有限公司制作，埋件尺寸与某工程设计图纸相似，6000mm×200mm。埋件外露面处于自然腐蚀状态，埋入面用混凝土完全包覆。将制作完的埋件放置于8m×2m的混凝土试验水池内。埋件与试验水池地面采用木板进行隔离。在埋件上每隔0.5m焊接一个金属构件，作为试验过程中的电位测量点。

1.2 牺牲阳极材料

试验用牺牲阳极包括镁合金阳极（镁阳极）、锌合金阳极（锌阳极）、铝合金阳极（铝阳极）。本试验用阳极均为块状阳极，为工程上经常使用的牺牲阳极。试验用阳极的种类及其电化学性能如表1所示。

表1 牺牲阳极的种类及其电化学性能

1.3 试验仪器

试验用恒电位仪为北京中腐防蚀工程技术有限公司生产的PS-268A型恒电位仪。试验用参比电极为饱和硫酸铜参比电极（CSE），文中所有电位均相对于CSE，试验前用饱和甘汞电极进行了标定。试验过程中使用ProDSS多参数水质分析仪对水质进行测量，仪器使用前采用标准溶液进行标定。

2、结果与讨论

2.1 牺牲阳极的开路电位

由图1可见：在淡水环境中，牺牲阳极的开路电位随着溶液电导率的变化而变化，溶液电导率增加，牺牲阳极开路电位随之下降，说明电导率是影响牺牲阳极开路电位的重要因素。由于镁的化学活泼性，镁阳极的开路电位比锌阳极、铝阳极的更负。在淡水中，铝阳极的开始电位比锌阳极的正，这主要是由于铝阳极表面形成的铝氧化膜比较致密，不容易从阳极表面脱落的缘故。

图1 几种牺牲阳极在不同电导率环境中的开路电位

2.2 溶液电导率对保护距离的影响

由图2可见：随着电导率的降低，三种牺牲阳极产生的保护电位随之很快降低，且降低规律相似。三种牺牲阳极的保护距离均很短，按照保护电位达到-0.85V的判据[5,6,7,8]，铝阳极和锌阳极在300～2000μS/cm溶液中的保护距离均小于100cm，无法对此环境中的埋件产生保护作用。基本只有镁合金在溶液电导率为2000μS/cm时，对金属埋件有100cm的保护距离，且在同种溶液中，镁阳极对埋件的保护距离比锌阳极、铝阳极的稍大。

图2 不同电导率溶液中，几种阳极对埋件产生的保护电位与保护距离的关系

2.3 恒电位极化对保护距离的影响

由图3可见：电导率是影响镁阳极保护距离的重要因素。极化电位-860mV条件下，溶液电导率不超过800μS/cm，达到保护电位-0.85V的距离小于50cm；当溶液电导率升高到2000μS/cm时，有效保护距离为150cm。由图3还可见：极化电位越负，保护距离越大。在2000μS/cm溶液中，极化电位在-860mV时，保护距离约150cm，极化电位为-900mV时，保护距离约为250cm，极化电位为-1000mV时，保护距离大于500cm。因此，提高极化电位是增加保护距离的一种重要手段。

图3 不同电导率溶液中，极化电位对镁合金阳极的保护电位和保护距离的影响

2.4 讨论

电化学阴极保护技术在许多行业得到了广泛应用，而且-0.85V也是被普遍接受的阴保判据，水工金属结构也不例外[9,10]。水工金属结构埋件所处水质环境以淡水环境为主，如长江、黄河为代表的淡水的电导率普遍不高，黄河三门峡水库长年电导率为800～1400μS/cm[11]，长江流域水质的电导率更低，为200～400μS/cm[12]。试验结果表明，电导率低于2000μS/cm时，牺牲阳极的保护距离很短，使用时需要消耗大量的阳极材料，在设计施工时会产生很大的障碍，因此，牺牲阳极法在淡水环境中基本不适用。水工金属结构埋件处于海淡水及海水环境中时，海淡水电导率为5000～8000μS/cm，海水电导率为30000～40000μS/cm，随着溶液电导率的增大，牺牲阳极的保护距离也随之增大，这极大地提高了牺牲阳极的适用性。因此，在海淡水及海水环境中，牺牲阳极法可用于保护埋件。

在普通淡水环境中使用恒电位极化方法，即使溶液电导率较低，达到-850mV的保护距离接近500cm，且可以通过提高极化电位来增大保护距离；提高溶液电导率，也可大大增加保护距离。因此，恒电位极化方法可作为一种长效保护方法保护埋件。

3、结论

(1）溶液电导率是影响阴极保护效果的决定性因素，电导率越大，阴极保护距离越大；(2）恒电位极化时，极化电位越负，阴极保护距离越大；(3）牺牲阳极法基本不适用于大多数淡水环境中的埋件，在海淡水和海水中可以采用；(4）恒电位极化方法可广泛用于淡水、海淡水、海水环境中埋件的保护。

参考文献：

[1]杨逢尧.水工金属结构[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[2]刘永辉,杜敏.深海钢铁材料的阴极保护技术研究及发展[J].中国腐蚀与防护学报,2013,33(1):12-14.

[3]杨德钧,沈卓身.金属腐蚀学[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[4]刘永辉,张佩芬.金属腐蚀学原理[M].北京:航空工业出版社,1993.

[5]张琪.金属的电化学保护原理[J].中国港湾建设,2012,179(2):123-125.

[6]王芷芳.阴极保护的几个误区及其解决方案[J].天津大学材料学院,2013,34(7):130-136.

[7]尤生勇,赵云峰,马飚,等.阴极保护电位测量误差分析及对策[J].石油化工应用,2013,32(4):106-110.

[8]徐振华.阴极保护系统在船体防腐蚀上的应用[J].天津航海,2013(1):32-33.