外加电流阴极保护辅助阳极的选择及计算
外加电流阴极保护用阳极
外加电流阴极保护用阳极牺牲阳极保护法具有无需提供辅助电源，阳极输出电流小，安装工程量小，运行期间不必经常维护等特点。
但是实施牺牲阳极保护时，它的阳极输出电流有限，且可控性较小，只能保护阳极附近较小的范围。
当遇到需要较大的工作电流或较大范围时，如暴露在空气中的钢筋混凝土结构，则需要用外加电流阴极保护法。
外加电流阴极保护法是通过外加电源来提供所需的保护电流，将被保护的金属做阴极，选用特定的材料做阳极，从而使金属得到保护的方法。
外加电流阴极保护系统主要由直流电源、辅助阳极、参比电极3个部分组成。
其中辅助阳极是核心部件，它的电化学性能直接影响着整个系统的工作效果和使用寿命，可根据几何形状、外加电流的大小、应用环境等条件选择。
1石墨阳极石墨的电阻率为(3。
8)xlO-s Q·m，抗压强度为25.35 MPa，合适的工作电流密度一般是5。
10 Mm2。
多孔石墨阳极材料的孔隙率为20%～30%，发生阳极反应时产生的气体会滞留在孔内，引起阳极材料的机械和化学损坏，造成表面软化和膨胀。
为了延长石墨阳极的使用寿命，增加其机械强度，一般用桐油、沥青或树脂对其进行浸渍处理。
石墨阳极在土壤或海水介质中工作时，消耗率与阳极表面的电化学反应密切相关，当阳极表面以析氯反应为主时，石墨的消耗率通常在o.13～0.22 kg/A·a;当阳极表面有析氧反应时，由于石墨中的碳被氧化成CO：，消耗率上升至0.9 kg/A·a。
石墨阳极导电性好，易于加工，价格便宜，但是脆性大，机械强度低，工作寿命短短，且材料较软，不适合在快速流动和冲刷的环境下使用。
2高硅铸铁阳极高硅铸铁是指含硅14%～18%的一种铁合金，电阻率为7.2×10-7 1-/·m，允许的工作电流密度是5～80 A/m2。
当高硅铸铁阳极中有电流通过时，表面会形成SiO：保护膜和水合物薄膜。
这层SiO：保护膜极耐酸腐蚀。
因此，高硅铸铁阳极适合在潮湿的环境下使用。
外加电流阴极保护设计原则及考虑
外加电流阴极保护设计原则及考虑外加电流阴极保护设计，根据工艺计算对保护范围宜增加10%的余量，对于埋地管道的工艺设计，一般对管道保护长度留有10%的余量。
外加电流阴极保护设计时，一般均已新建结构物或已建结构物的实际条件为基础。
在参数选择、设计计算中只要与管道本身参数相符合，其设计往往是成功的。
随着时间年限的延长，结构物上的防腐层逐渐老化，破损增多，使所需阴极保护电流增大有效保护范围缩小。
因此设计中应对阴极保护所需电流密度的变化做充分的考虑，通常办法是对结构物保护范围留有一定的余量。
②外加电流法阴极保护设计中，辅助阳极的设计寿命应与被保护结构物相匹配。
对各种不同结构物均应考虑辅助阳极的可更换性。
对于埋地管道的外加电流法阴极保护，其辅助阳极的寿命一般不小于20年。
辅助阳极的寿命是保障外加电流法阴极保护系统有效工作的关键。
辅助阳极失效，将使阴极保护系统中断工作。
对于可更换的辅助阳极系统，如船舶或其他工业设备装置中辅助阳极系统，从经济上考虑不必选择昂贵的、寿命很长的阳极。
而对于不可更换或很难更换的辅助阳极系统，如埋地管道辅助阳极系统，则应保证其设计寿命。
③外加电流法阴极保护设计时，应充分注意保护系统与外部金属结构物之间的干扰问题，以及外部信号可能对保护系统产生干扰的问题。
在被保护金属结构物周围往往还存在着一些其他的金属结构物，如埋地管道周围的情况。
这就要求在外加电流法阴极保护设计时应充分考虑这一点。
另一方面，埋地管道周围密集其他金属结构物存在于阴极保护电场中，将不可避免的改变电场电力线的分布，产生对埋地管道阴极保护的屏蔽作用。
在严重情况下，可在被保护结构物上形成阴极保护的死角。
由此产生保护不足甚至导致阴极保护失效。
同时也导致阴极保护运行成本增加。
处于直流电力输配系统、直流电气化铁路、邻近外部结构物阴极保护系统或其他直流源影响范围内的埋地金属结构物，易遭受杂散电流干扰影响而产生腐蚀破坏，从而导致被保护物迅速的电解腐蚀，使其阴极保护系统遭受严重的干扰破坏。
船体外部外加电流阴极保护
水运是五大交通运输系统之一，船舶是水运的主要交通工具。
近年来，海运货物的增长率逐年增长8%。
然而，由于长期在海上航行，船舶受到各种腐蚀性介质的不同程度的腐蚀。
目前，船舶的主要防腐措施是涂料与阴极保护相结合。
由于涂层在涂敷和使用过程中不可避免地会出现涂层缺失、气孔等缺陷，这些地方首先会发生腐蚀，加速并引起点蚀。
阴极保护能有效抑制涂层缺陷处的点蚀，降低阴极保护的电流密度，使阴极保护更经济，保护电流分布更均匀，保护效果更好。
对于大型船舶，保护电流比较大。
在这种情况下，两套独立的保护系统可以安装在船的中部，或靠近船的头部和尾部。
电位器可以安装在机舱的主控制室或其附近。
在安装恒电位器时，应注意阴极接地和基准电极的零接地不应在同一点，并应间隔一定距离。
恒电位器的负极应接在船体上，正极应接在与船体绝缘的辅助阳极上，不得倒转。
辅助阳极一般对称布置在右舷和右舷上。
一般4-6艘为宜，超大型船舶数量可适当增加，但不超过10艘。
确定阳极数量后，即可确定阳极规格。
艉部安装的辅助阳极多为长条形，艏部多为圆盘形。
辅助阳极的垂直布置为从重水线到船底中线的弧长1 / 3左右，但必须小于轻水线0.5m以下。
船用辅助阳极的安装方式有两种，一种是附着式，另一种是凹式。
该胶黏剂的优点是目前分散性较好，缺点是容易损坏。
凹型的优点是阳极不易损坏，但分散能力不如粘着型。
凹阳极主要用于破冰船等高负荷船舶，并安装在船首。
参比电极的纵向排列取决于参比电极的数量。
如果整艘船只有两个参比电极，一个在船头，一个在船尾或船中部，最好将左右两边分开。
如果安装一个以上的参比电极，可以配置船首、中部和船尾，配置左舷和右舷。
参比电极布置在两个辅助阳极中间或离阳极最远的地方，即安装在电位最大的地方。
对于大型船舶，离阳极至少15-20米，而对于小型船舶，距离可以按比例缩小。
参比电极应与辅助阳极垂直布置在同一水平面上。
浅析外加电流阴极保护系统的原理及操作须知
海洋工程装备种类繁多，主要有：船舶、海洋钻井平台、浮式生产系统等装备。
海洋工程装备体积庞大，且主体多是钢结构制成，他们服役期间长，多达20多年，而且海水腐蚀性很强，海洋工程设备腐蚀破坏，污染海洋环境，甚至出现安全事故，严重危害工作人员安全，海洋工程装备防腐工作越来越多的引起人们的重视。
目前，海洋工程装备防腐方式主要用防腐涂层、牺牲阳极和外加电流保护系统等方法。
防腐涂层可以有效隔绝海水与装备金属面的接触，进而实现防腐。
但在船舶航行、海洋工程设备安装施工过程中涂层会受到破坏，金属表面开始腐蚀。
牺牲阳极保护方法对于海洋工程装备来说，外部悬挂的牺牲阳极增加其航行的阻力，也增加了结构物的重量和额外费用。
在牺牲阳极消耗过程中，其释放的金属离子也会污染周围环境，最主要的是牺牲阳极设计寿命较短，难以满足长期服役装备的需要。
外加电流阴极保护系统具有使用寿命长、保护效果好、维护费用低，可以通过一个AC-DC电源转换产生电压电流，干扰船体金属与海水发生化学反应，从而保护船体不被腐蚀。
一、外加阴极保护原理阴极保护的定义：通过外加直流电源或者比船体表面金属更活跃的金属，将想要保护的金属电位降低至不受腐蚀的电位，使得发生氧化还原化学反应所需的电子通过外加电源的电流或活泼金属给出。
当船体表面金属处于比此电位更低的电位时，该金属就不会参加氧化还原反应了，也就不再受到海水腐蚀。
电化学腐蚀是由于活泼金属与电解质溶液在一起发生氧化还原反应所引起的，与原电池的原理相同。
因为船体是由活泼金属—铁构成的，而海水便是电解质溶液，他们之间发生了氧化还原反应。
由以上化学公式可得：铁失去电子后与氧、水发生反应形成铁锈而溶解在水中，这样周而复始船体就会腐蚀掉。
从正极公式可知得到电子形成氢氧根，那么通过外加电流提供给保护的船体电子，这样船体就不会因为失去电子而被腐蚀，这就是外加电流阴极保护的原理依据。
船体ICCP系统原理如下：二、W轮的外加电流阴极保护系统组成W轮外加电流阴极保护系统由恒电位仪、辅助阳极和阳极屏蔽层、参考电极组成。
管道外加电流阴极保护方案
管道外加电流阴极保护设计方案上海xxx设计研究总院二〇一二年十二月三日一、概述管道由1条DN1428低碳钢焊接管组成，总长约1.5Km,采用顶管和开挖排管相结合的施工方法进行敷设。
根据类似工程数据，管道埋设深度土层的平均土壤电阻率5～10Ω·m。
全部钢管外防腐均采用熔融环氧粉末防腐涂层。
顶管连接焊缝处采用专用液态环氧树脂补口涂料涂封。
二、设计方案本工程敷设的管道口径较大、埋设深度深、采用顶管方法敷设在中继间切割及密封焊接会造成该处管道外涂层损伤。
因此管道阴极保护选用外加电流方法。
管道设计采用独立的外加电流阴极保护系统。
清水管道在两端各设计1个阴极保护站。
每个阴极保护站在距管道30～50m处设计1座深井阳极、在靠近排气管处埋设1支长效硫酸铜参比电极、在阴极保护站设计安装1台直流电源。
中间流量井1处需采用电缆跨接确保管道良好电连续连接。
本工程顶管施工完成后大部分工作井不拆除，由于其混凝土井壁、井底会对外加电流产生屏蔽使井内浸在水中或土中的管道无法获得有效保护，为此在每个井内设计安装埋设2支镁合金牺牲阳极对井内管道实施阴极保护。
三、设计依据的标准及规范1、GB/T21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范。
2、GB/T21246-2007埋地钢质管道阴极保护参数测量方法。
3、SY/T0086-95阴极保护管道的电绝缘标准。
4、SYJ4006-90长输管道阴极保护施工及验收规范四、设计指标1、阴极保护设计使用寿命20年。
有效保护期间管道极化电位应满足以下第2或3条要求。
2、施加阴极保护后，管道阴极极化电位为-0.85~1.25V（相对于CSE电极），应考虑排除IR降。
3、在阴极保护极化形成或衰减时，测取被保护管道表面与土壤接触、稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不应小于100mV。
4、当土壤或水中存在硫酸盐还原菌，且硫酸离子含量超过0.5%时，通电保护电位应达到-0.95V 或更负（相对于CSE 电极）。
外加电流阴极保护
外加电流阴极保护1. 相关参数船体外加电流阴极保护，通过调节保护电位和保护电流达到保护船体钢板的目的，所以其最基本的也是最重要的参数有两个：保护电位、保护电流密度。
（1）保护电位：保护电位，取决于金属性质和所处介质的性质，变化不大。
通常最佳保护电位（船体钢板相对于银/ 氯化银参比电极的电位）-0.75~-1.00V ，ICCP 控制仪- 恒电位仪的工作电压范围± 2V。
（2）保护电流密度：保护电流密度，除金属和介质的性质外，还受环境影响，变化较大，可能包括：船舶在静止海水中，电流密度150mA/m2寸，可以很快达到保护电位（-0.80V ）; 但若电流密度小于40mA/m2则几乎无法达到保护电位。
•船体钢板表面有无复盖物、复盖物的种类、复盖物的完整性等，很大程度上影响最佳电流密度的大小。
例如，涂有完整油漆的钢板所需的保护电流密度，比裸钢板小得多：在静止海水内，涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的钢板，电流密度0.35mA/m2可即刻达到保护电位；而裸钢板却需154mA/m?大400多倍。
再如，同样在静止海水内：涂有三道聚二乙烯乙炔涂料的钢板，电流密度0.11mA/m2 只要几小时就可达到保护电位；而裸钢板，电流密度高达45mA/m2也需要9天左右。
•海水是流动的而且海流和风浪时大时小，船舶也有时停泊有时航行且航速有快慢，都影响最佳保护电流密度。
例如恶劣气象航行和破冰航行，所需要的保护电流密度显著增高。
•不同海域海水含盐量有差别，不同季节海水温差不同，都会影响最佳保护电流密度。
保护电流密度，需要综合考虑上述各种因素，而且主要靠大量的实践才能得到比较切实的数据。
船体外加电流阴极保护装置的管理者，日常应针对这些环境因素不断调节、修整装置的相关参数，以确保其充分发挥作用。
相对于常用的银/ 氯化银参比电极，保护电流密度要保证保护电位-0.75~-1.00V，最佳保护电流密度30~60mA/m2我国海船选用40~60mA/m2较为合适。
阴极保护的两种方法
阴极保护法：外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。
1、牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。
该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低土壤电阻率环境下（土壤电阻率小于100欧姆.米）的金属结构。
如，城市管网、小型储罐等。
根据国内有关资料的报道，对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训，认为牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年，最多5年。
牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。
本人认为，产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求，其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。
因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成份外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。
2、外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电子流（不是电流，否则没法保护，电流与电子流的方向相反）从土壤中流向被保护金属，使被保护金属结构电位低于周围环境。
该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如：长输埋地管道，大型罐群等。
[2]。
阴极保护辅助阳极的性能要求
外加电流阴极保护辅助阳极，任何导电材料都可以作为外加电流阴极保护辅助阳极，又称阳极地床，考虑到经济性及使用寿命，多选用耐腐蚀的材料作为阳极。
目前普遍采用的阳极材料多位高硅铸铁阳极材料，或混合金属氧化物阳极材料。
辅助阳极的性能要求：1.从辅助阳极的生产、运输及阳极保护辅助阳极系统安装方便要求来看，要求辅助阳极治炼性能好，并有一定的机械强度，抗震，脆性小，重量轻，便于搬运集施工。
2.从辅助阳极的工作原理来讲，为了阴极保护系统安全、稳定并长期运行，要求辅助阳极在介质中导电性能优异，消耗率小，耐电解腐蚀性能强，抗酸能力强。
3.从阴极保护电厂分布均匀性要求来看，要求辅助阳极材料便于造型，能根据需求制作成各种形状。
根据北欧保护对象及其所处介质的不同，阴极保护用的辅助阳极常用多种外形，主要有棒状、网状、带状等。
辅助阳极制成不同的形状主要是从电场均匀分布的目的出发的。
带状辅助阳极是近些年开发出的一种新型阳极，主要用于埋地管道、储罐底部及钢筋混凝土的保护，可以解决传统阴极保护做不到的问题，如干扰问题、高电阻率问题等。
带状辅助阳极是导电塑料制成，把导电塑料包覆在铜芯上，带状辅助阳极用于地下金属构件的阴极保护时同其它辅助阳极一样需要焦炭粉填包。
对于常用的棒状石墨阳极和高硅铸铁阳极，通常生产厂家只对一端进行导线连接，但是由于这两种阳极的机械性能表现为脆性大，在阳极的运输、安装过程中难免会出现阳极断裂，若阳极导线的而连是在一端进行的，则出现阳极断开的情况下，没有导线连接的一端将丧失其功能，因此建议在阳极的制造时要求生产厂家对阳极的两端均进行导线的连接。
外加电流阴极保护可用于电力、化工、水利、纺织等行业金属的防腐蚀。
而辅助阳极是外加电流阴极保护系统中不可缺少的重要组成部分。
根据辅助阳极的功能所要求的性能及施工方便的要求，提高辅助阳极的耐腐蚀性能及改善其机械加工性能，是当前乃至今后应该研究的内容之一。
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河南汇龙合金材料有限公司刘珍外加电流阴极保护辅助阳极的选择及计算
河南汇龙刘珍为大家讲解辅助阳极又称阳极接地装置，阳极地床。
它是外加电流阴极保护中不可缺少的重要组成部分，辅助阳极的好坏决定了阴极保护系统的使用寿命和保护距离，也决定了外加电流阴极保护系统的保护效果，如果处置不当，则阴极保护系统无法正常运行，甚至还坏对其他进出产生杂散电流干饶。
恒电位仪通过辅助阳极把保护电流送入土壤，经土壤流入被保护的管道，使管道表面进行阴极极化(防止电化学腐蚀)电流再由管道流入恒电位仪负极形成一个回路，这一回路形成了一个电解池，管道为负极处于还原环境中，防止腐蚀;而辅助阳极进行氧化反应，遭受腐蚀，也可能是周围电解质被氧化。
阴保站的电能60%消耗在阳极接地电阻上，故阳极材料的选择和埋设方式、场所的选择，对减小电阻节约电能是至关重要的。
阳极材料必须有良好的导电性能，在与土壤或地下水接触时有稳定的接地电阻，即使在高电流密度下，其表面的极化较小;化学稳定性好，在恶劣环境中腐蚀率小;有一定的机械强度并便于加工和安装;价格低来源方便。
河南汇龙合金材料有限公司刘珍一般来说，阳极埋设地区的土壤越潮湿，土壤电阻率越低，阳极埋设越深，阳极床的接地电阻越小。
有时，当土壤和阳极床的地质结构不能满足阳极接地电阻的要求时，会采用在阳极地床的回填区域添加一些极化剂，以增加土壤导电性能，减少地床接地电阻。
1、辅助阳极埋设位置的选择
辅助阳极与管道距离愈远电流分布愈均匀，但过远会增加引线上的电压降和投资。
从实测数据来看辅助阳极距汇流点200米以内时，对电流分布影响较大，远于300米后影响就不大了。
故在长输管道的干线上阳极一般设在距管道300～500米之间为宜。
管道较短或油气管道较密集的地区，采用50～300米之间是合适的。
花格线设计是450m，对于土壤电阻率很大的地区是否过远，是值得研究的问题。
因此对处于特殊地形、环境的管道，辅助阳极的距离和埋设方式应根据现场情况慎重选定。
在阴保站址选定的同时，应在予选站址与管道的一侧选择阳极安装的位置，其原则是：
(1)地下水位较高或潮湿低洼处;
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(2)土层厚，无块石，便于施工;
(3)土壤电阻率一般应小于50欧姆米，特殊地区也应小于100欧姆米
(4)对邻近的地下金属构筑物干扰小，阳极地床与被保护管道之间不得有其它金属管道。
(5)考虑阳极附近地域近期发展规划及管道发展规划以避免建后可能出现的搬迁。
(6)阳极地床位置与管道汇流点距离适当
(7)地面金属构筑物较多，用地狭窄时，可采用深井阳极，以减小对其它金属构物的干扰又节约用地。
阳极接地电阻约占直流回路电阻60%左右，大部分能量损失是由它造成的，因此合理选择阳极地床位置，降低接地电阻是十分重要的工作。
2、辅助阳极的结构
2.1浅埋式地床结构
将电极埋入距地表1～5米的土层中，这是管道阴极保护一般选用的阳极埋设形式。
浅埋式阳极又可
河南汇龙合金材料有限公司刘珍分为立式，水平式两种，对于高硅铸铁阳极可能两种联合称为联合式阳极。
(1)立式阳极
由一根或多根垂直埋入地中的阳极排列构成，电极间用电缆联接。
其优点有：
a.全年接地电阻变化不大;
b.当阳极尺寸相同时，立式地床的接地电阻较水平式小。
(2)水平式阳极
将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中，其优点有：
a.安装土石方量较小，易于施工;
b.容易检查地床各部分的工作情况。
(3)联合式阳极
指采用钢铁材料制成地床，它由上端联接着水平干线的一排立式阳极所组成。
2.2深埋式阳极(深井阳极)
河南汇龙合金材料有限公司刘珍当阳极地床周围存在干扰、屏蔽、地床位置受到限制，或者在地下管网密集区进行区域性阴极保护时，使用深埋式阳极，可获得浅埋式阳极所不能得到的保护效果。
深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井(20～40米)、中深井(50～100米)和深井(>100米)三种。
深埋式阳极地床的特点是接地电阻小，对周围干扰小，消耗功率低，电流分布比较理想。
它的缺点是施工复杂技术要求高，单井造价贵。
尤其是深度超过100米的深阳极，施工需要大钻机，这就限制了它的应用。
3、阳极地床填料的应用
石墨阳极无论采用浅埋或深埋都必须添加回填料。
高硅铁阳极一般需要添加回填料，但在特殊地质可能不使用回填料，如沼泽、流砂层地区等。
柔性阳极本身带有填包料。
网状阳极在罐底使用时，一般不需要添加填包料。
对于深井阳极形式，无论是使用高硅铸铁阳极还是金属氧化物阳极，都必须设计应用填包料。
(1)阳极地床填料的功能
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1)增大阳极与土壤的接触，从而降低地床接地电阻;
2)将阳极电极反应转移到填料与土壤之间进行，延长阳极的使用寿命;
3)填料可以消除气体堵塞。
(2)对填料的要求
1)填料颗粒必须是导电体，以保证阳极与土壤之间良好的导电性。
2)填料应成本低，来源广，具有较连续的接触表面。
常用的回填料是焦炭粒，也可采用石墨加上石灰充填，以保持阳极周围呈碱性。
通常用的焦炭粒性能规格见下表。
阳极地床回填用焦炭粒性能规格表1
确保阳极与回填料良好的电接触，填料必须在阳极周围夯实。
否则会使一部分电流从阳极直接流向土壤而缩短阳极使用寿命。
河南汇龙合金材料有限公司刘珍在粘土地区，若阳极地床通过电流太大，可采用电极带孔的硬塑料管，由填料层直接通地面，及时地将阳极周围产生的气体排出地面。
对于较干燥地区可向地床注水降低接地电阻。
(3)回填料的重量
可用下述简单方法估计填料的容积：阳极地床孔径为阳极直径的三倍。
且在电极上下各填300毫米填料。
对粒径为15mm，比重为0.6吨/米3的焦炭粒来说，每支ф100×1500阳极的参考用量为200公斤。
4、阳极数量与接地电阻
阳极数量与接地电阻成反比关系。
在一定范围内增加阳极支数会起到降低接地电阻的作用。
但是由于阳极间的屏蔽效应，往往增加较多支的阳极，而降低电阻却很少。
所以对于阳极数量的选择是一个经济效益问题。
在确定阳极数量时需要考虑主要因素为：
1、要使阳极输出的电流在阳极材料允许的电流额度内，以保证阳极地床的使用寿命。
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2、在经济合理的前提下，阳极接地电阻应尽量做到最小，以降低电能耗量。
即对接地电阻规定一个合适的数值。
目前接地电阻一般不大于1欧左右，在特殊地区可根据现场情况选定。
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