MM0阳极在外加电流阴极保护中的应用(王廷勇)

-234-MM0阳极在外加电流阴极保护中的应用王廷勇汪相辰（青岛双瑞防腐防污工程有限公司青岛266071）摘要：研究了MM0阳极在土壤中的电化学行为，比较了模拟环境中阳极与高硅铸铁的电化学性能，结果表明在土壤中MM0阳极具有优良的电化学活性和电化学稳定性。在阳极结构设计中，阳极电缆与阳极采用中间电连接，从而避免了高硅铸铁阳极所存在的“缩颈”问题，新研制的阳极适用于深井及浅埋地床外加电流阴极保护系统。关键词：MMO阳极电化学活性电化学稳定性1前言对于电厂而言，有大量的管线及接地网埋在土壤中，为了防止其腐蚀，通常要对其进行阴极保护。外加电流阴极保护系统以投资低，保护范围大和保护电流可调等优点而得到广泛应用。作为外加电流阴极保护系统的重要部分，辅助阳极材料的研究一直受到人们的重视，一般用于地下金属结构阴极保护的阳极材料有废钢铁、石墨、高硅铸铁和金属氧化物阳极等，废钢铁和石墨已很少使用，高硅铸铁是我国目前应用较为广泛的阳极。由于高硅铸铁阳极脆性大、易损坏、只能铸造成型、消耗速率大、比重较大，并且在使用中易产生缩颈问题而导致过早失效，已越来越多地被金属氧化物阳极所取代[1、2]。MM0阳极是国际上八十年代后期开始大量使用的阳极，它是在钛基体上被覆一层导电的混合金属氧化物层而构成。这种阳极具有消耗率低、电化学活性高以及较高的性能价格比等优点，同时由于采用钛作为基体，因而易于加工成各种所需的结构，并且重量轻，这为施工和安装带来了方便，目前混合金属氧化物阳极已成为外加电流阴极保护用最理想的辅助阳极材料[3-6]。本文研究中采用热分解方法在钛基体上制备了铱钽钛金属氧化物阳极，研究了阳极在土壤及模拟土壤环境中的电化学性能，此外在阳极结构设计中，阳极电缆与阳极采用中间电连接，以消除高硅铸铁阳极存在的尖端效应。2实验2.1MM0阳极在土壤中的电化学性能试验采用热分解方法在钛基体上制备了铱钽钛金属氧化物阳极，考察了阳极在土壤中长期使用的电化学性能，研究阳极在土壤中的电流输出特征，对金属氧化物阳极进行土壤通电电解试验，试验条件如下：阴极：Φ1250×850mm钢管阳极：金属氧化物阳极，尺寸3.9cm×4.0cm参比电极：饱和Cu/CuSO4电极电流密度：100A/m2土壤电阻率：20Ω·m2.2模拟土壤环境试验开展了模拟土壤环境试验，用蒸馏水配制浓度为0.005molNa2SO4的溶液，倒入盛装石英-235-沙的电解池中。通过电化学测试系统研究了MM0阳极和高硅铸铁阳极的阳极极化行为。电化学性能试验采用三电极体系，铂片作为辅助电极，SCE作为参比电极，以上述两种材料作为研究电极。设备为PAR273恒电位仪。3结果与讨论3.1MM0阳极在土壤中的电化学性能MM0阳极是一种不溶性的阳极材料，作为土壤中外加电流阴极保护用辅助阳极时，在阳极表面上发生析气反应，一方面在不含氯离子的水介质中，主要是析氧反应，并且生成大量氢离子；另一方面当水介质中含用氯离子时，阳极表面发生析氧反应的同时，还存在析氯反应，并且析出氯会与水发生进一步的反应，生成次氯酸和盐酸。因此不论是析氧反应还是析氯反应，均会使阳极附近介质的pH值降低，导致酸性增强，阳极的工作环境变的更为苛刻。为了考察金属氧化物阳极在土壤中长期使用的电化学稳定性，对金属氧化物阳极进行土壤通电电解试验。通电3天、5个月、7个月后分别测量阳极电位与输出电流的关系，结果见图1。由图1可以看出在土壤中金属氧化物阳极输出电流随阳极电位的增大而增大，两者之间成正比关系。图1表明在通电初期，电极反应阻力比较大，阳极排流性能较差，这主要是在通电初期，阳极回填土比较疏松，气孔较多，降低了土壤的导电性，使离子迁移能力下降所致。在5个月和7个月以后再测阳极电位与输出电流时发现，阳极反应阻力大大降低。由图可以发现当阳极电位达到10V时，阳极输出电流可以达到680mA，即电流密度可以超过200A/m2，这一电流密度要比高硅铸铁等其它辅助阳极材料的使用电流密度大的多，表明在土壤中金属氧化物阳极具有优异的电化学活性。另外在半年多的试验时间内，在阳极工作电流密度为100A/m2的条件下，电源输出电压始终保持在9～10V之间，说明在土壤中金属氧化物阳极具有良好的电化学稳定性，并没有因为土质酸化，工作条件变的苛刻而降低其电化学性能。3.2模拟土壤环境试验在阳极电流密度为100A/m2的条件下，在模拟土壤环境中对MM0阳极及高硅铸铁阳极进行电解，七天后对阳极进行极化曲线的测试，试验结果见图2。由图2可以看出金属氧化物阳极的电化学活性远远优于高硅铸铁，在阳极电位达到2V时，氧化物阳极的工作电流密度可以达到200A/m2以上，而高硅铸铁阳极的工作电流密度为50A/m2左右，氧化物阳极的工作电流密度是高硅铸铁阳极的4倍，说明在相同的输出电位下，金属氧化物阳极可以输出更大的电流。这是由于金属氧化物阳极的活性涂层是一种多孔多裂纹的微观结构，因此它具有很大的电化学活性表面积，在相同的条件下具有更大的排流量。02004006008001000120014000.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.0321图3金属氧化物阳极在土壤环境中的E-I曲线1通电三天后阳极的E－I曲线2通电5个月后阳极的E－I曲线3通电7个月后阳极的E－I曲线E/VI/mA-236-此外在阳极电流密度为100A/m2的条件下，对MM0阳极及高硅铸铁阳极进行电解，40天后测量阳极的消耗率。试验结果得到高硅铸铁的消耗率为170mg/A·a，而MM0阳极基本没有消耗，表明MM0阳极具有很高的化学和电化学稳定性，属于不溶性的阳极材料。3.3阳极结构设计与应用针对深井地床和浅埋地床，设计了不同结构和规格的阳极，阳极电缆与阳极采用中间电连接，因此可消除高硅铸铁阳极所存在的尖端效应，以避免“缩颈”等现象发生。阳极电缆穿过管状阳极体，可以多支阳极安装在一根电缆上，由于阳极重量非常轻，因此阳极电缆本身可以承受阳极的重量，这种阳极适用于深井地床和浅埋地床（立式或卧式使用）外加电流阴极保护系统。研制的组装式管状MM0氧化物阳极体在天津北疆电厂及印尼枫港电厂接地网深井地床外加电流阴极保护，以及在海门电厂埋地管道浅埋地床外加电流阴极保护中得到了应用，并取得了良好的效果。阳极结构如图所示。图3.串型结构MM0阳极4结论4.1金属氧化物阳极的活性涂层是一种多孔多裂纹的微观结构，因此它具有很大的电化学活性表面积，在土壤环境中具有优异的的电化学稳定性及电化学活性。同时金属氧化物阳极是一种尺寸稳定型阳极，在土壤中的消耗率非常小，属于不溶性的阳极材料。4.2在阳极结构设计中，电缆与阳极之间采用中间电连接，从而消除了高硅铸铁阳极所存在的尖端效应，避免“缩颈”等现象发生。此外阳极电缆贯穿管状阳极体，因此可以将多支阳极安装在一根电缆上，以便于施工与安装，新研制的阳极适用于电厂深井地床和浅埋地床外加电流阴极保护系统。4.3金属氧化物阳极采用钛作为基体材料，易于加工成各种所需的结构形状，同时具有重量轻易安装等优点，作为外加电流用辅助材料具有非常广阔的应用前景。600800100012001400160018002000-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.021图2阳极试样在模拟土壤环境介质中的E-I曲线1高硅铸铁2金属氧化物阳极logi/A¡¤cm-2E/mV-237-参考文献[1]AshokKumar，Corrsion/86,NACE,Houston,Texas,1986:PaperNo.288[2]JamesEdwards,Corrsion/91,NACE,Cincinnati,Ohio,1991:PaperNo.240[3]VictorBrown,Corrsion/92,NACE,Houston,Texas,1992:PaperNo.384[4]AshokKumar，Corrsion/89,NACE,NewOrleans,Louisiana,1989:PaperNo.288[5]彭乔，殷正安，稀有金属材料与工程，1995（6），24（3）：64[6]向前，腐蚀科学与防护技术，1998（3），10（2）：109﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌﹌作者简介王廷勇（1970－06－29），男，山东青岛，硕士研究生，高级工程师，国家注册一级建造师，山东省暨青岛市腐蚀与防护学会理事，就职于青岛双瑞海洋环境工程有限公司，即中船重工七二五研究所青岛分部。长期从事金属腐蚀与防护及表面处理等领域的课题研究及工程项目管理工作。从事课题研究期间，曾承担过国防预研及基金课题，2005年课题成果曾获得国防科学技术奖二等奖，并获中国船舶重工集团公司科技进步二等奖，2011年所承担的课题曾获青岛市科学技术二等奖,并获中国腐蚀与防护学会科技进步一等奖。过去十几年间，在各类期刊及会议上发表论文三十余篇，曾获得过中国腐蚀与防护学会优秀论文奖特等奖及青岛市第七届自然科学优秀学术论文二等奖。