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潮濕環(huán)境下機械裝備的陰極保護技術(shù)論文
摘要：本研究概括了機械裝備在潮濕環(huán)境下的腐蝕特征，闡述了犧牲陽極的陰極保護、外加電流的陰極保護等技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，重點分析了潮濕環(huán)境下機械裝備的陰極保護技術(shù)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：機械裝備;潮濕;陰極保護技術(shù)
機械裝備的陰極保護技術(shù)已有上百年的歷史，很多機械裝置，特別是埋地管線都采用了陰極保護技術(shù)，而且與有機涂層相結(jié)合使此項技術(shù)的功效發(fā)揮得更加突出。大慶油田絕大多數(shù)石油、石化裝備和輸送管道，都不同程度地與液相環(huán)境有關(guān)聯(lián)，如何更好地抑制潮濕氣體、液體對金屬的腐蝕，對提高裝備使用壽命具有重要意義。
1 潮濕環(huán)境下腐蝕特征
第一，隨機性。由于濕度、溫度、降水等天氣變化而出現(xiàn)表面附著的液膜厚度改變，表現(xiàn)為不確定性增減，何時出現(xiàn)哪種情況是沒有明確規(guī)律的。第二，不均勻性。機械裝備金屬表面的粗糙、組織缺陷、附著的微小固體顆粒等都能夠造成潮濕環(huán)境中的水蒸氣擇優(yōu)吸附凝結(jié)，使金屬構(gòu)件表面液膜不均勻。此外，機械裝備構(gòu)件上的有機涂層不可避免地會存在微孔或微裂紋，這些點也能夠造成水蒸氣的不均勻凝結(jié)。對于埋地式裝備的金屬構(gòu)件，局部金屬表面接觸的混凝土或泥土密度差異是產(chǎn)生不均勻性的直接原因。第三，高抗陰性。潮濕環(huán)境中形成的薄液膜，由于電阻率高而使體系呈現(xiàn)高阻抗特征。浸濕的混凝土，其電阻率為2.5～4.5kQ.cm，中等腐蝕性土壤的電阻率約為其1門0[1¨]。第四，非連續(xù)性。由于液膜在表面張力和重力的作用下具有遷移流動性，導(dǎo)致其厚度不均勻，而液膜的薄厚又影響鹽分和氧在其中的溶解，金屬表面腐蝕介質(zhì)表現(xiàn)出非連續(xù)性，使陰極保護要達到對被保護構(gòu)件整體的保護十分困難[2]。
2 犧牲陽極的陰極保護
犧牲陽極的陰極保護應(yīng)用較早，因其安裝方便和無控制運行而獲得廣泛應(yīng)用。最常用的犧牲陽極材料有鋅合金、鋁合金和鎂合金。因驅(qū)動電壓小、陽極消耗大，限用于阻抗較小、介質(zhì)腐蝕性不強的環(huán)境中，且基本都與非金屬涂層進行聯(lián)合保護。采用超細鋅粉制成的鍍鋅涂料中鋅粉含量通常占干膜重量的70%以上，能夠在金屬表面形成一層導(dǎo)電薄膜，鋅粒與鋼鐵基體之間存在電偶作用，在腐蝕環(huán)境中會腐蝕犧牲，而對涂層缺陷中暴露在電解質(zhì)溶液下的金屬構(gòu)件起陰極保護作用。同時，鋅粉上腐蝕產(chǎn)物填塞涂層中的微}L，能夠一定程度地阻滯腐蝕介質(zhì)通過而達到金屬表面。富鋅涂料對鋅粉的粒徑有嚴(yán)格的要求，應(yīng)介于2~lOUm。粒度小于2um，鋅粉活性降低，其電位甚至高于鋼鐵的電位，因而失去陰極保護作用。粒度大干10um，會降低涂層的遮蓋力，不利于形成均勻涂膜。富鋅涂層中鋅粉的陰極保護作用存在作用期限，該期限的長短取決于成膜物質(zhì)、鋅粉含量、涂層厚度等因素[3J。此外，鋅是一種對溫度敏感的材料，當(dāng)溫度超過～定值時，鋅在水溶液中的電位將高于鋼鐵的電位而使富鋅涂層轉(zhuǎn)變成陰極性涂層，反而會加速腐蝕，所以應(yīng)用受到一定的限制，特別是難以滿足石油開采和石油化工生產(chǎn)中的復(fù)雜而苛刻的腐蝕環(huán)境條件。
3外加電流的陰極保護
外加電流陰極保護技術(shù)的保護電流由外電源提供，所以可控性強，適用范圍更廣。初期的設(shè)計思想是把被保護區(qū)域劃分為尺寸相近、彼此獨立的單元，不存在電連接的區(qū)域必須分配給不同的陰極保護電路，確保所有區(qū)域都能得到保護，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的雜散電流干擾腐蝕。潮濕環(huán)境下金屬表面的腐蝕介質(zhì)是高阻抗且呈分散狀態(tài)的液膜，傳統(tǒng)方式的外加電流不能達到所有的腐蝕介質(zhì)接觸的金屬表面，也就無法構(gòu)成完整的陰極保護回路，曾有許多學(xué)者認為該領(lǐng)域是陰極保護的禁區(qū)[4]。在大型儲罐內(nèi)壁液位線以上部位、潮濕保溫層下的管道等結(jié)構(gòu)中鋼鐵材料腐蝕均非常嚴(yán)重，即使采用高效有機涂層保護，效果也不理想，急需開創(chuàng)一種全新的防護理念，人們嘗試過多種研究和探索。美國學(xué)者發(fā)明了能夠吸收海水的結(jié)構(gòu)，用以提供陰極保護電流的通路。蘇聯(lián)發(fā)明了浮動式陽極保護裝置[5]。這些發(fā)明的核心思想都是設(shè)法在非連續(xù)液面中保持局部有連續(xù)相的電解質(zhì)，本質(zhì)上仍屬于傳統(tǒng)陰極保護技術(shù)。非連續(xù)液相下外加電流陰極保護的主要障礙是固體電解質(zhì)材料研究進展遲緩。我國發(fā)明的Si02構(gòu)成的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物，成為陰陽離子遷移的快速通道。此外，還采用B”- Al：03快離子導(dǎo)體配置成固體電解質(zhì)涂料，在金屬表面成膜，再涂覆電子導(dǎo)電的陽極涂層，構(gòu)造了陰極保護系統(tǒng)電解池，該技術(shù)曾用于儲罐底板和架空線的外防腐[6]。美國還開展汽車采用外加電流法實施陰極保護的研究，陸續(xù)出現(xiàn)了各種電子防銹器產(chǎn)品，都是對這一領(lǐng)域的有益探索。
4 陰極保護的發(fā)展趨勢
犧牲陽極的陰極保護由于驅(qū)動電壓小、消耗大量的陽極合金、可控性低等原因，正越來越多地被外加電流陰極保護所取代[7]。外加電流的陰極保護研究主要集中在尋求更優(yōu)良的新型電介質(zhì)材料、低消耗的輔助陽極材料、適應(yīng)高阻抗體系的電源、自動控制系統(tǒng)等方面，正朝著方案設(shè)計模塊化、參數(shù)控制自動化、區(qū)域保護聯(lián)合化方向發(fā)展。潮濕環(huán)境下的金屬表面處于不均勻分散、高抗阻的腐蝕介質(zhì)中，陰極保護受到一定制約，雖已取得一些成果，但陰極保護方案優(yōu)化、保護參數(shù)的精細控制以及保護效果的實時評價仍將是今后的研究重點。
參考文獻：
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