[科普中国]-外加电流保护

外加电流阴极保护，又称为强制电流阴极保护。通过直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤流向被保护金属，使金属表面阴极电位降低到阳极电位，此时，金属表面不再有阴极或阳极，使被保护金属结构电位低于周围环境，整个金属结构成为新的电路中阴极。

原理一、铁生锈的过程可分为两类：

1、化学腐蚀，高温下铁直接和氧气反应，得到氧化铁。（不太普遍）
2、电化学腐蚀（普遍），分两种：析氢腐蚀，贴在酸性较强的潮湿环境中发生的腐蚀。
二、吸氧腐蚀，自然界中最为普遍。
条件：不纯的铁，空气，潮湿的环境。在潮湿的环境中，不纯的铁（含碳）形成了铁---氧气--水无数个微小的原电池。
铁，负极：Fe-2e-=Fe2+；
碳，正极：2H2O+O2+4e-=4OH-。
Fe2++2OH-=Fe(OH)2；
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3；
2Fe(OH)3+空气中失水=【Fe2O3·nH2O】（铁锈）+(3-n)H2O。

由以上式可知：铁失电子后与氧、水形成铁锈而溶解在水中，这样钢结构就会一点一点的腐蚀掉。

既然上式中正极要得电子形成氢氧根，那么我们就通过外加电流提供给保护的钢结构（负极）电子，这样钢结构中的铁就不会失电子而被腐蚀了。1

阴极保护系统组成该阴极保护系统由整流电源、阳极地床、参比电极、连接电缆组成（阳极地床：有多支阳极组成的阴极保护接地电极成为地床）。

阳极地床选址在选择阳极地床场址时，不仅要考虑方便的电源盒较低的土壤电阻率，而且要考虑与外部管道的距离。要得到较低的阳极电压的方法很多，可以采用若干个阴极保护站，每个阴极保护站由较低的电流输出；可以加长阳极地床来降低接地电阻；可以强行降低所需的阳极电压或采用深井阳极。有20m厚的覆土层的深井阳极特别适用于都市中管道的阴极保护，因为都市中的管道与外部装置的距离较小。

优点1、需要较大的电流场合，特别是裸露的或涂层较差的结构物的防护；

2、所有导电的电解质溶液内；

3、用于水箱里的大型热交换器、油加热处理器和其他容器保护；

4、储水罐的内壁；

5、地面上储存罐的外底；

6、地下储罐；

7、地下或水中的基桩和打板桩。

缺点1、与牺牲阳极相比，需要更高的检测和维护费用；

2、需要外部电源，持续的电源供给费用；

3、具有引发杂散电流干扰的高风险。可导致过保护，引发防腐层的破坏及管材氢脆。1

阳极材料要求外加电流阴极保护是防止地下金属结构如管道、储罐等复试的有效方法。辅助阳极是外加电流系统中的重要组成部分，起作用是将保护电流经过介质传递到保护结构物表面上。地下结构物外加电流阳极保护用阳极通常并不直接埋在土壤中，而是在阳极周围填充碳质回填料而构成阳极地床。碳质回填料通常包括冶金焦炭、和石墨颗粒等。回填料的作用是降低阳极地床的接地电阻，延长阳极寿命。

针对阳极的工作环境，结合实际工程的要求，理想的埋地用辅助阳极应当具备如下性能：

a、良好的导电性能，工作电流密度大，极化小；

b、在苛刻的环境中，有良好的化学和电化学稳定性，消耗率低，寿命长；

c、机械性能好，不易损坏，便于加工制造，运输和安装；

d、综合保护费用低。

废钢阳极钢铁阳极是指角钢、扁钢、槽钢、钢管制作的阳极或其他用作阳极的废弃钢铁构筑物。废钢铁是早期外加电流阴极保护常用阳极材料，其来源广泛，价格低廉。由于是溶解性阳极，表面很少析出气体，因而地床中不存在气阻问题。其缺点是消耗速率大，使用寿命短，多用于临时性保护或高电阻率土壤中。

柔性阳极另一种新型柔性阳极，即混合金属氧化物柔性阳极，用钛丝替代了到点聚合物，该阳极是将钛丝阳极每隔10米与电缆连接一次，并放置在填料带中，具有更好的机械强度，局部大电流输出，也不会造成阳极的损坏 ，电流分布更为均匀，克服了聚合物柔性阳极的缺点。

网状阳极网状阳极是混合金属氧化物带状阳极与钛金属连接片垂直铺设、交叉点焊接组成的外加电流阴极保护辅助阳极。将该阳极网予埋在储罐基础中，为储罐地板提供保护电流。网状阳极的优点电流分布均匀。输出可调，保证储罐充分能保护。产生的杂散电流很少，不会对其他结构造成腐蚀干扰。不需要回填料，安装简单。由于大量工作已经在工厂内完成，质量容易保证。储罐与管道之间不需要绝缘，不需对电气以及防雷接地系统做任何改造。不已受今后工程施工的损坏，使用寿命长。

混合物阳极该阳极是将钛丝每隔10米与电缆连接一次，并放置在填料袋中，具有更好的机械强度，局部大电流输出，也不会造成阳极的损坏，电流分布更为均匀，克服了聚合物柔性阳极的缺点。

聚合物阳极聚合物柔性阳极是在铜芯上包覆导电聚合物（聚合物中添加碳粉）而构成的连续性阳极，也称柔性阳极或缆行阳极。铜芯起导电的作用，而导电聚合物则参与电化学反应。由于铜芯具有优良的电导性，因此可以在数千米长的阳极上设一通电点，聚合物阳极在土壤中使用时，需在其周围填充焦炭粉末而构成阳极地床，尽管与其他阳极相比，其工作电流密度很低，但由于可靠近被保护结构物铺设连续地床，因此可提供均匀的、有效的保护。

高硅铸铁阳极高硅铸铁是阳极具有良好的导电性能，高硅铸铁阳极的允许电流密度5~80A/m2。除用于焦炭地床中以外，高硅铸铁阳极有时也可直接埋地在低电阻率土壤中。1

所用电源电源类型整流器、恒电位仪、太阳能电池、发电机、风力发电机、热点电池。在交流电源可以达到的地方，和其他外加电流电源相比，整流器无疑具有明显的经济性和操作优越性。

技术要求对于阴极保护电源，基本的要求是具有恒电位输出、恒电压输出、恒电流输出功能。阴极保护电源还要求具有同步通断功能、数据远传、远控功能。

处于安全方面的考虑，恒电位仪输出电压一般限定在50v，如果必须提高输出电压，应对阳极地床位置进行安全防护，如用围栏围护或安装导电网、安全垫层等。2

设备位置选择外加电流阴极保护设备位置选择应考虑的因素：

1）有无现存的低压电源；

2）保护电流需要量；

3）适合阳极地床的低电阻率环境；

4）对个人利益损害尽量少；

5）有良好的专门运输线；

6）其他外部装置与贵金属阳极应有足够的间距，使干扰影响最小。2

施工安装规定1）阴极保护整流器或其他电源的安装方式应使其损坏或认为破坏的可能性最小。

2）与整流器相连的导线应遵循地方和国家电器规程，与所用的供电电源要求一致。应在交流回路中提供外部断路开关。整流器外壳应可靠接地。

3）所有电缆均应仔细检查，检测其绝缘缺陷，应小心进行以防损伤电缆的绝缘，电缆绝缘的缺陷必须进行修补。

4）阳极填充料应与技术规格书一致。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学