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金属电化学腐蚀的防护
金属的防腐蚀过程目前分为三大类:金属的阳极保护;金属的阴极保护;以及金属表面的非金属涂装保护。金属的阳极保护是指在某种金属表面镀覆一种电极电位较低的金属材料,在腐蚀环境中电位较低的金属材料首先被腐蚀而起到一种保护作用(如:钢铁表面镀覆金属锌);金属的阴极保护是指在金属表面镀覆一种电位较高的耐腐蚀金属材料,在腐蚀环境中将低电位金属完全包覆,把低电位金属与腐蚀性物质隔绝开来(如:钢铁表面镀铜);

1、阴极保护

    阴极保护是在被保护的金属表面通入足够大的阴极电流,使其电位变负,从而抑制金属表面上腐蚀电池阳极的溶解速度。

未进行阴极保护时,金属M以腐蚀电位Ecr、腐蚀电流icr被腐蚀,加入阴极电流后,发生阴极极化的结果使得金属的电位从Ecr移至Ec,此时总的阴极极化电流由两部分组成,一部分是由腐蚀电池形成的,另一部分是外加的。此时腐蚀仍然没有完全停止下来,只不过腐蚀速度变小了。当外加电流足够大,使金属的电位移至Ee,A,即金属M的平衡电位时,腐蚀电流变为零,腐蚀完全被抑制。使金属完全得到保护的最小电流密度称为最小保护电流密度,相应的电位称为最小保护电位。阴极保护的电位不是越负越好,过负的阴极电位对腐蚀控制无实际意义,同时也会浪费电源,还可能会引起氢脆腐蚀。[1]

     在被保护的金属表面注入阴极电流,根据电流的来源分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法。    

A、牺牲阳极保护法  这种方法是在需保护的金属装备和另一种当做溶解阳极的金属之间安装一电解装置,利用金属的溶解提供阴极电流,被选作牺牲阳极的金属一般是锌合金、铝合金、镁合金等,其重要的性质是能够以相对于被保护金属而言更负的电位,且以相对均匀的速度被腐蚀溶解,以提供平稳的保护电流。由于作为牺牲阳极的金属的腐蚀溶解,可以使被保护金属的阳极电位移向更负的位置,当两种金属的平衡电位相同时,辅助金属相当于阳极,而被保护的金属变成了阴极。很明显,此时整个金属溶解速度会增大,但溶解的是被用作“牺牲”的辅助金属,被保护金属的溶解速度大大降低。在20世纪60年代及70年代初期,船壳的保护大部分是牺牲阳极的阴极保护法。

B、外加电流保护法  这种方法是用靠外部电源提供阴极电流,这时的阳极材料选用钢铁、石墨、高硅铸铁、铅银(2%)合金、镀铂的钛等,称为辅助阳极。这是一种应用更广泛的阴极保护法。采用外加电流的阴极保护系统,可以得到较大的保护电流,所以这种系统对于高电阻和低电阻的介质都适用,它主要是用来保护有隔离涂层的很长的金属结构。它的优点在于保护电流容易调整,因而就有可能根据保护状态的变化而随时保持所需要的保护电位。采用这种保护方法时,应当注意到,由于外加电流的作用,任何靠近被保护结构的金属构件,都可以看作为低电阻的导体,而遭到严重腐蚀。  

2阳极电保护 (适用有钝化曲线的金属)

     阳极保护法是在被保护金属表面通入足够大的阳极电流,使电位变正进入钝化区、腐蚀速度大大降低的方法。从热力学和动力学上讲,任何金属都具有一个可使金属处于钝化状态的电位,阳极保护就是创造条件使金属表面维持一稳定的钝化膜。金属从活化腐蚀溶解状态到钝化的转变过程称为钝化过程,一些重要的结构材料均具有钝化转变行为,右图是利用控制电位法得到的金属的阳极极化曲线,可以将曲线分成四个区。

   A、活化区  这一区域金属正常溶解,其腐蚀电位和腐蚀电流分别为(Ecorr1和(icorr1  

   B、钝化过渡区  在这一区域随着电位正移,金属溶解速度反而下降,称为钝化过渡区。金属开始发生钝化的电位为临界钝化电位(Epass)。

   C、钝化区  当应用阳极保护时,所加阳极电流足够大时,达到金属的致钝电流密度时,会使金属表面发生钝化,电流下降至(icorr2,即ipass,这时金属处于稳定的状态,此时的金属溶解与电位无关,这一时期也称为稳定钝化区。

   D、过钝化区  在钝化区以上,金属溶解的电流又随电位的升高而增加。

可以看出阳极保护系一般包括以下几个主要部分。

A、阳极——被保护金属;

B、辅助阴极,与外接直流电源相连,与保护金属阳极、设备内的介质一起构成电流回路,使得电流可以在回路中流通。

C、电源,提供阳极保护电流。用于金属致钝,一般用可调式的直流电源。

D、参比电极,实际上可以将参比电极看成是获得电位信号的传感器,常用的参比电极主要为金属/难溶盐电极、金属/氧化物电极或金属电极,要根据具体的介质性质和防护体系选择参比电极。

阳极保护主要用于一些贮罐、塔设备、换热器等的腐蚀防护,下图是应用阳极保护的两个例子。对浓硫酸贮罐的阳极保护常用的辅助电极有镀铂电极、高硅铸铁、银等,对稀硫酸可用铝青铜、石墨等。

致钝是实施阳极保护的第一步,金属致钝后,会使被保护金属表面在与腐蚀介质接触后的电流密度高于体系的致钝电流密度,使金属转入钝化状态。为使金属快速进入钝化区,减少在活化区的溶解腐蚀损失,可增大局部表面电流密度使整个金属表面逐步实现钝化,或设法降低体系的致钝电流密度,如低温致钝、化学致钝、脉冲致钝等。

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