阴极保护的基本原理

阳极、阴极、金属通路、电解液 - 这是腐蚀回路的四个组成部分。消除其中一个，就能成功地减轻了腐蚀作用。最直观的方法是消除电解液，或者更准确地说，消除电解液和金属之间的界面。这就是为什么涂料行业每年产生近2000亿美元的收益。然而，还有其他方法可以消除结构完整性所依赖的基材上的腐蚀反应，即从腐蚀回路中移除阳极。更准确地说，阳极区域从主体结构移动到用于腐蚀的牺牲区域。这种做法被称为阴极保护。它是有效的，可以进行可靠地监测，并且可以与大多数（但不是所有的）涂层系统一起使用，以最大限度地保护与土壤、混凝土或水环境接触的金属结构。

阴极保护的基本原理，或CP，是将腐蚀区域转移到一个特殊点，就是设定在指定的阳极上，而不是让金属结构在浸没于导电的电解质中时存在自然的阳极和阴极区域。换句话说，如果你能使整个管道或罐底或钢筋基体成为腐蚀回路中的阴极，就能减缓希望保持其完整性的结构上的腐蚀作用。这种牺牲阳极，无论它是自然产生保护电流还是通过外部外加电流，都可以帮助金属结构增加几十年的设计寿命，特别是在与保护涂层系统配合情况下。需要注意的是，CP只能在需获得保护的结构和电解质之间持续性接触时使用，所以它不能用于地上的结构，因为涂层的金属仅仅暴露与大气环境中。

牺牲阳极被分为两类。第一类是电化学阳极。这些阳极利用两种金属之间的自然电化学电位来驱动阴极保护回路。阳极的材料选择来自于电化学电势序列，这是按其电化学电位顺序排列的材料。电位越负，就越有可能被用作电化阳极。可以看到下面的图表。

从上图可以看出，镁、锌和铝等金属是常见的电化学阳极，因为它们的电势电位通常比用于保护的钢结构更负。设计标准将决定使用哪种电化学阳极来保护钢材。但一般来说，电化学系统仅使用这三种阳极材料中的一种。电化学系统通常与它们所保护的结构紧密结合，这意味着阳极与被保护结构的距离在几英尺之内。电化学系统只需要从阳极到阴极的金属连接就可以发挥作用。虽然船上系统的锌阳极直接焊接或用螺栓固定在船体上，和一些短管道系统的镁阳极，其引线直接热焊在外壁上。，但其他系统有一种 "打破 "阳极和阴极之间的连接方式，以便能够测试保护功效。稍后会更多地谈及这个问题。

第二种使用的阳极是外加电流阳极。这些阳极在与大多数普通阴极组成的腐蚀回路中不会自然传导电流。它们需要一个外部电源来 "外加"电流。这种性质的常见阳极是贵金属基材上的混合金属氧化物、石墨和高硅铸铁。用于外加电流系统操作的外部电源被称为整流器。该装置从附近的电源线或安装的太阳能电池板输入交流电压，使用整流元件（硒或由硅二极管组成的整流元件）将其转换为直流电，然后将阳极极化，将电流传导到预定的结构上。外加电流阳极的优点是，它们可以放置在远离预期阴极的位置，或者位于结构横向的远程接地床中，或者位于其下方的深井中。

除了阳极定位之外，还有一些设计标准可以告诉你在阴极保护系统中是选择使用电化学阳极还是外加电流阳极。电化学系统用于低电阻率的电解质中，对电流的要求不是很高。电化学系统一般最大输出200毫安培。同样重要的是，任何需要电化学保护的系统都是电绝缘的。与其他结构或接地系统的短路会使电化接地阳极的消耗速度远远超过系统的设计使用寿命。

外加电流系统有着广泛的用途。用于需要保护较长的管道线路，较大的结构，或有大电流需求的结构。接地或短路至其他大型金属结构的结构将需要外加电流系统。。在高电阻率环境中的阴极，如果电化学系统不能传导足够的电流来提供足够的保护，也需要选择外加电流。外加电流系统的电流输出范围很广，有些系统可以传导超过数百安培的电流。这些系统通常能保护海水浸泡环境中的结构，如桥梁或船体。

使用阴极保护的好处之一是，运营商和第三方承包商可以很容易地使用AMPP规定的量化标准来衡量系统的功效。有许多标准最初是由NACE（组建AMPP的两家公司之一）制定的，以管理有效的阴极保护系统。其中包括控制埋地管道的SP0169-2013，控制地上储罐底部的SP0193-2016，以及控制混凝土中钢筋的SP0408-2019。一般来说，与腐蚀性电解质接触的钢结构需要满足两个规则中的一个。

对硫酸铜电极（CSE）的极化电位测量值为850 毫伏

极化电位100 毫伏或比自由腐蚀电位或“自然”电位更负，其中结构的“极化”电位是指施加阴极保护且没有其他外部电压影响的电位，而自由腐蚀电位是指完全没有施加阴极保护的电位。

测试的规定因结构和管理主体而异。然而，根据美国交通部的规定，运载危险材料的结构必须每年对其阴极保护系统进行测试，当前的测试日期不得超过上次测试日期的15个月。

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