3.4　外加电流阴极保护用阳极材料

3.4.1　对阳极材料的要求

外加电流阴极保护是防止地下金属结构如管道、储罐等腐蚀的有效方法。辅助阳极是外加电流系统中的重要组成部分，其作用是将保护电流经过介质传递到被保护结构物表面上。

地下结构物外加电流阴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、石油煅烧焦炭和石墨颗粒等。回填料的作用是降低阳极地床的接地电阻，延长阳极的使用寿命。

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有如下性能：

① 良好的导电性能，工作电流密度大，极化小；

② 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；

③ 力学性能好，不易损坏，便于加工制造，运输和安装；

④ 综合保护费用低。

3.4.2　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，阳极的消耗率为8～10kg/（A·a）。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，使用寿命较短，多用于临时性保护或高电阻率土壤中。

3.4.3　石墨阳极

石墨是由碳素在高温加热后形成的晶体材料，通常用石蜡、亚麻油或树脂进行浸渍处理，以减少电解质溶液的渗入，增加机械强度。经浸渍处理后，石墨阳极的消耗率将明显减小。石墨阳极在地床中的允许电流密度为5～10A/m2，适用于较干燥的土壤环境。

阳极的性能应符合表3-1的规定。阳极引出电缆与阳极在阳极（筒状）中间做连接，接触电阻应小于0.01Ω，拉脱力数值应大于阳极自身质量的1.5倍，接头密封可靠。阳极电缆长度不应小于1.5m，阳极表面应无明显缺陷。

石墨阳极价格较低，并易于加工，但软而脆，不适于易产生冲刷和冲击作用的环境，在运输和安装时易损坏，随着新的阳极材料出现，其在地床中的应用逐渐减少。

3.4.4　高硅铸铁阳极

高硅铸铁是20世纪50年代末美国俄亥俄州一家Duririon公司首次开始使用的，这种材料最早用于实验室污水槽及一些化学药剂泵，到70年代得到广泛应用。最初的阳极是由含硅14.5%的铸铁制成，后来发现，这种阳极在海水中容易发生晶间腐蚀，于是，在海水环境中使用的阳极都加入了铬，减小了阳极消耗速度。该阳极（图3-4）几乎可适用于各种环境介质，如海水、淡水、咸水、土壤中。当阳极通过电流时，在其表面会发生氧化，形成一层薄的SiO2多孔保护膜，极耐酸，可阻止基体材料的腐蚀，降低阳极的溶解速率。但该膜不耐碱和卤素离子的作用。当土壤或水中氯离子含量大于200×10-6时，须采用加4.0%～4.5%Cr的含铬高硅铸铁。高硅铸铁阳极在干燥和含有较高硫酸盐的环境中性能不佳，因为表面的保护膜不易形成或易受到损坏。

高硅铸铁阳极具有良好的导电性能，高硅铸铁阳极的允许电流密度为5～80A/m2，消耗率小于0.5kg/（A·a）。除用于焦炭地床中以外，高硅铸铁阳极有时也可直接埋在低电阻率土壤中。高硅铸铁阳极的化学成分应符合表3-2的规定。阳极引出线与阳极的连接位置应在阳极中部，其接触电阻应小于0.01Ω，拉脱力数值应大于阳极自身质量的1.5倍，接头密封可靠。阳极引线长度不应小于1.5m，阳极表面应无明显缺陷。

3.4.5　铂阳极

铂阳极是在钛、铌、钽等贵金属基体上涂覆一薄层铂而构成的复合阳极。铂层复合的方法很多，如水溶液电镀、离子镀、点焊包覆、爆炸焊接包覆、冶金拉拔或轧制、热分解沉积等。铂阳极的特点是工作电流密度大、消耗速率小、质量轻，已在海水、淡水阴极保护中得到广泛使用。

3.4.6　聚合物线性阳极

聚合物线性阳极是在铜芯上包覆导电聚合物（聚合物中添加炭粉）而构成的连续性阳极，也称线性阳极或缆形阳极。铜芯起电导的作用，而导电聚合物则参与电化学反应。由于铜芯具有优良的导电性，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，其在地床中最大允许工作电流为52mA/m，主要性能见表3-3，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、有效的保护。阳极铜芯截面积为16mm2，阳极外径为13mm。

聚合物阳极（图3-5）安装简便，特别适于裸管或防腐层严重破坏的管道、受屏蔽的复杂管网区的保护以及高电阻率的土壤中。但应注意不能过度弯曲。

使用线性阳极时，由于管道防腐层有差异，或管道上附带有不同的设施，而不同的设施又有不同的防腐层，甚至有些设施还带有安全接地。在这种情况下，会造成线性阳极在不同的部位，其输出电流是不一样的。当线性阳极输出电流大时，会造成该处线性阳极导电聚合物中的炭粉快速消耗，长时间在大电流下工作，会使电缆铜芯很快腐蚀断裂，引起线性阳极的破坏。

另外，大电流输出会造成线性阳极附近有较高的阳极电压场。如果参比电极正好也位于该电压场内，其读数就会大于管道的实际保护电位（如图3-6所示，-1800mV，CSE）。此时，只有通过测量断电电位（-1.12V，CSE）才能判断这部分设施的保护是否充分。安装时，要把参比电极和线性阳极分别安装在管道的两侧，尽量靠近被保护结构，距离阳极的间距尽量一致。图3-6中参比电极2的安装位置是错误的。

线性阳极靠近被保护结构安装，其原理是提高结构附近土壤的电位梯度，当埋地管网密集时。如果线性阳极布置不够密集，也会造成靠近阳极的结构保护充分而被遮挡的结构欠保护的问题。另外，结构对地电位的数值受阳极电压场影响很大，往往电位读数极不均匀，只能测量断电电位才能反映真实的电位分布和结构保护水平。当地质条件允许时，优先选用深井阳极阴极保护系统。

3.4.7　混合金属氧化物线性阳极[1]

另一种新型线性阳极，即混合金属氧化物线性阳极，外观如图3-7所示，用钛丝阳极替代了导电聚合物。该阳极是将钛丝阳极每隔3m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，克服了聚合物线性阳极的缺点。相信在不久的将来，会替代现在使用的聚合物线性阳极。该阳极的结构（图3-8）性能指标如下。

① 阳极基材：ASTM B-265一级或二级钛。

② 阳极形状：丝状或带状。

③ 阳极寿命：25a。

④ 阳极消耗率：5mg/（A·a）（在焦炭中，100A/m2）；

⑤ 最大电流输出：3mm阳极1.5A/m；1.5mm阳极0.5A/m；带状阳极45mA/m；

⑥ 电阻率：10-5Ω·cm；

⑦ 阳极与电缆连接：每3m连接一次；

⑧ 焦炭用量：2.4kg/m。

该阳极适用于保护站场管道，多束绑扎在一起，可用作深井阳极。不论聚合物线性阳极还是MMO线性阳极，其共同的缺点是阳极较长，容易受到第三方开挖的破坏，阳极沟不均匀沉降也会造成阳极断裂，使阳极失效。不论哪种线性阳极，都存在电压衰减问题，尤其是土壤电阻率低，被保护结构防腐层差时，衰减更为严重，这将造成临近通电点的阳极消耗速度加快，导致阳极过早失效。

3.4.8　混合金属氧化物阳极

混合金属氧化物阳极是在钛基体上沉积一层活性的混合金属氧化物而构成的，最早应用于氯碱工业，后推广应用于其他工业，包括阴极保护领域。由于采用钛为基体，因而易于加工成各种所需的形状，并且质量轻，这为搬运和安装带来了方便。由于电极表面被高活性的氧化物层所覆盖，在表面的一些缺陷处露出的钛基体的电压通常不会超过2V，因此钛基体不会产生表面钝化膜击穿破坏。当MMO贵金属膜发生破损时，钛基材表面会生成氧化膜，由于其电阻很高，电流不会从此处排放。但电压过高时，该氧化膜会击穿。一般认为，在海水中，钛氧化膜的击穿电压为8V，在淡水和土壤中，由于贵金属氧化膜的存在，在阳极和电解质接触面上的压降一般很小，电源输出电压可以达到60V。混合金属氧化物阳极还具有极优异的物理、化学和电化学性能。其防腐层的电阻率为10-7Ω·m，极耐酸性环境，极化小且消耗率极低。通过调整氧化膜的成分，可以使其适于不同的环境。MMO棒状阳极见图3-9。

混合金属氧化物阳极在地床中，在100A/m2工作电流密度下使用寿命可达20年，其消耗率约2mg/（A·a），由于混合金属氧化物阳极具有其他阳极所不具备的优点，它已成为目前最为理想和最有前途的辅助阳极材料。但在深井阳极应用中，发现阳极地床接地电阻有增大的现象，该问题应引起设计人员的关注。使用混合金属氧化物阳极，环境温度最好在17.2～79.4℃之间。

3.4.9　网状阳极[1]

网状阳极（CorrStop Grid）是混合金属氧化物带状阳极与钛金属连接片垂直铺设、交叉处点焊而构成的外加电流阴极保护辅助阳极。将该阳极网预埋在储罐基础中（图3-10），为储罐底板提供保护电流。该技术是黄骅瑞晨防腐公司（CorrStop）在1996年首次引入国内并在国内推广应用的。网状阳极的优点有：

① 电流分布非常均匀，输出可调，保证储罐充分保护。

② 产生的杂散电流很少，不会对其他结构造成腐蚀干扰。

③ 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。

④ 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。

⑤ 不易受今后工程施工的损坏，使用寿命长。

在储罐周边测量到的储罐底板保护电位不代表储罐底板中心处的保护状况，所以，大多数新建储罐会在储罐基础中布置参比电极，以获得真实的储罐底板中心位置保护电位。由于任何长效参比电极都有一定的寿命，所以，当参比电极失效后，就无法测量储罐底板中心处的保护电位。可采取的措施是新建储罐时，在基础中预埋塑料管。塑料管端部安装渗透膜，另一端延伸到储罐圈梁以外，如图3-11所示。测量时，将塑料管中注满水，在储罐边缘处，将参比电极放到塑料管中，与水接触，测量电位。

该塑料管相当于参比电极延伸，即盐桥，可以有效地测量到储罐中心的保护电位，不用担心参比电极失效问题。安装塑料管时，注意塑料管的水平度，保证注水时，内部不会滞留空气。也可以将多孔的塑料管预埋在储罐基础中，测量时注满水，将参比电极在管内移动测量电位。当罐基础是细沙回填时，水分漏失严重，维持充水困难。

当阳极网位于防渗膜及储罐底板之间时，阳极电压场衰减慢，整个基础内的土壤电位接近阳极网电位。如果参比电极靠近阳极网，则储罐底板的通电电位值接近恒电位仪输出电压，只有测量断电电位才能确定储罐底板的保护程度。由于防渗膜的绝缘作用，其他储罐的阴极保护对受测量的储罐电位测量影响不大。固定参比电极要尽量靠近罐底板，与阳极带等距。阴极保护指标宜采用100mV阴极极化以避免-850mV（CSE）电位带来的大电流及过量的氧气生成。阳极附近水的电解会产生氧气，氧气生产量是1800L/（A·a）。当阳极汇集到储罐底板处将消耗电子，会引起储罐底板的去极化，无法达到保护电位。由于储罐底板处有大量的氧气存在，氧气和水分反应生成氢氧根离子，尽管罐底板保护电位可能不达标，但大量氢氧根离子的存在导致储罐底板处碱性增大，pH值升高，使钢板处于一个碱性环境中，有利于储罐底板钝化的生成，根据Pourbaix曲线，钢材处于钝化区，防止了储罐底板的腐蚀。储罐底板和网状阳极相当于一个电容，断电电位测量，实际测量到的是电容的放电。如果保持断电一段时间，储罐底板的自然电位很可能会比原来的自然电位还正，这是底板附近氧浓度提高引起的。安装腐蚀探头，检测金属的腐蚀。另外一种方式是将焦炭粉覆盖在阳极带表面，使阳极反应产生二氧化碳，可以避免氧气的产生。由于二氧化碳遇水后会产生碳酸，储罐底板的保护指标要降低到-950mV（CSE）。

另外一种方式是将钢筋焊接成网格状铺设在储罐基础内，当作阴极保护阳极。由于铁的消耗率是9.3kg/（A·a），要准备一定的重量的钢筋才行。如果准备将老罐底拆除安装新罐底，可以将老罐底保留在原位置，内部安装新罐底。将老罐底与储罐割开，当作阴极保护阳极。