阴极保护知识区

由Robert J. Evans Jr., P.E. (AFCEC)和lea - miguel San Pedro (NAVFAC)和Thomas Tehada, P.E. (NAVFAC)担任腐蚀政策和监督(DCPO)主任(DASD)[材料准备]

更新: 10-07-2021

介绍

阴极保护(CP)是一种用于防止腐蚀的技术,通过使通常表现为阳极和腐蚀的金属表现为阴极和减少或消除腐蚀攻击。电化学腐蚀电池的应用取得了良好的效果。CP一般采用两种方法:牺牲阳极(提供原电CP (GCP))(见图1)直流(提供外加电流CP (ICCP))(见图2).CP系统阳极将腐蚀攻击的位置从被保护的结构转移到阳极本身(另一种专门选择用于使CP电路功能的材料)。

GCP体系阳极要提供电流,其电化学电位差必须大于被保护结构的电负性。它们之间必须存在足够的电位差,以克服电路电阻,提供足够的电流来实现结构保护。由于GCP阳极通过电化学腐蚀过程提供保护电流,它们还必须成本低,具有足够的电流容量,以达到成本效益。

电阴极保护腐蚀电池的示意图

图1:GCP系统的示意图
来源:Thomas Tehada, p.e., NAVFAC EXWC。改编自生3-570-01阴极保护

外加电流阴极保护腐蚀电池的示意图

图2:ICCP系统示意图
来源:Thomas Tehada, p.e., NAVFAC EXWC。改编自生3-570-01阴极保护

最常见的GCP阳极是铝、镁和锌。在ICCP中,来自电源的直流电通过ICCP阳极应用到被保护的结构上,以防止腐蚀的电化学机制在其攻击之前发生。ICCP系统采用半惰性阳极提供保护电流。这些阳极表现出相对较高的电化学电位;因此,要在阴极保护钢结构的方向上产生带电流,就必须连接外部电源。电源必须克服ICCP阳极和受保护结构之间的电位差,才能为结构提供第一次增量保护。我们常把电源首先要克服的电位称为反电压。最常见的ICCP阳极有石墨、高硅铸铁、铂、混合金属氧化物和聚合物。在阴极和阳极/电解质界面上的电荷转移中所消耗的电能导致了这种电位的变化,我们称之为极化,这对于确定是否满足足够的保护标准至关重要。

描述

CP系统必须精心设计,正确安装,检查功能是否正常,并经过认证提供足够的保护和维护。当前NACE标准通过三个主要标准对暴露在土壤环境中的钢材进行充分保护:

  1. -850mVCSE潜在标准与当前应用
  2. -850mVCSE极化电位
  3. 100mV偏振偏移准则

曝气(氧气)、搅拌(速度)、温度、pH值、表面积和时间会影响极化、电位测量和标准有效性。在设计或评估CP系统时,基本CP设计目标包括:

  1. 为结构的所有部分提供足够的、连续的电流密度,达到可接受的标准
  2. 尽量减少对其他结构的干扰影响
  3. 为环境、保护涂层和系统使用寿命的预期变化提供操作灵活性
  4. 遵守适用的规范和标准,确保公众和操作人员的安全
  5. 提供与被保护系统使用寿命一致的CP系统设计寿命
  6. 提供测试和监控设施,以确保CP系统性能符合行业标准、标准和法规

我们最终通过CP系统是否控制腐蚀来确认其有效性。直接确定腐蚀速率通常不是一个简单的过程。在大多数情况下,我们依靠间接的方法来评估CP系统。主要方法是测量与所选标准相比较的电解质电位的结构。我们还测量系统电流作为附加的性能参数。我们定期测量结构电解质电位符合这些标准,并确保符合任何监管标准。我们还必须考虑到影响极化、潜在测量和标准有效性的任何因素。

混凝土甲板修复与离散锌阳极(包裹在绿色网格)和永久参考电极(黄色导线)

图1:混凝土甲板修复中的离散锌阳极(包裹在绿色网格中)。黄色引线的装置是永久参考电极。
来源:生3-570-01阴极保护

阴极保护用于保护关键的基础设施,其中大部分将由于故障而产生灾难性的结果:

  • 天然气管道和分配系统
  • 液体燃料管路
  • 氧气管道
  • 消防总管和地下消防管道
  • 楼板下球墨铸铁加压管道(楼板上)
  • 金属管道地下热分布及冷水管道
  • 钢板桩海堤、码头支撑、护舷桩等水下钢结构
  • 地下、地面和高架储罐系统

其他可能采用CP的系统:

  • 含有危险产品的系统
  • 饮用水分配系统
  • 压缩空气分配系统
  • 污水升降机站
  • 混凝土钢筋
周期性性能测试- ICCP系统整流输出电流

图2:ICCP系统整流输出电流周期性能测试。
资料来源:Steve Geusic, pe, LEIDOS

合理设计、操作和维护的CP系统可以通过更换CP部件无限期地延长结构的寿命。每年的维护和定期维修费用远低于对建筑物本身进行大修或更换。天然气管道爆炸和航空燃油泄漏等公共设施过早失效的潜在责任将大大减少。泄漏造成的成本规避,导致罚款、环境清理、修复和污染土壤处置以及相关的负面公众形象,是选择和维持有效的CP解决方案的首要考虑因素。有关更多信息,请参阅阴极保护基础培训模块.的CPC核对表工具提供若干设计和现场检查提醒,以确保CP在整个生命周期内满足要求。

相关守则及标准

国防部

统一设施标准(UFC)

统一设施指南规范(UFGS)

美国陆军工程兵-公共工程技术公报(PWTB)

材料保护与性能协会(AMPP)[国家腐蚀工程师协会(NACE)和防护涂料协会(SSPC)]

额外的资源

组织

  • NACE阴极保护计划提供阴极保护及其技术的多种课程和认证,包括但不限于:
    • 阴极保护测试仪(CP1),涵盖基本的腐蚀科学,并从整流器和便携式参考电极进行测量
    • 阴极保护技术员(CP2),包括深入的腐蚀科学,以及如何解释足够的CP测试读数,并确定CP系统的问题
    • 阴极保护技术员(CP3),负责阴极保护系统的故障排除和设计计算
    • 阴极保护专家(CP4),主要负责阴极保护系统设计
  • (AMPP) SSPC(防护涂料协会)培训和认证
  • STI(钢罐研究所)培训和认证

援助

国防部安装机构

教育

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