电化学和阴极保护的关系 [接地装置电化学腐蚀原理及阴极保护法的应用]
摘要:防雷接地装置的腐蚀是普遍存在的现象。由于土壤的复合多相体系的特点,无论是人工接地装置还是基础接地体,若不采取完善的防腐蚀措施,腐蚀将会导致接地性能的下降,造成雷击灾害事故。本文剖析了接地装置的腐蚀机理,指出,接地装置的腐蚀的本质是电化学腐蚀并重点介绍了牺牲阳极的阴极保护法的应用。
关键词:接地装置 腐蚀 防护 阴极保护法
1 接地装置腐蚀后的危害
接地技术已有二百多年的历史,它最早是18世纪富兰克林为避雷针防雷而提出来的。目前,接地已成为保障电力系统,电子设备和建筑设施等安全可靠运行和人身安全的重要技术措施之一。在雷电防护措施中,接地更是相当重要的一环,接闪器,引下线,避雷器只有通过良好的接地装置才能将强大的雷电流迅速泄放入地,在防静电、抑制雷电电磁脉冲干扰方面,也必须进行良好的接地处理。
在我国现阶段,用于接地的材质还主要为碳钢材料。接地装置埋设在地下,既看不见又无监视装置,当接地装置投入运行后,腐蚀问题就会暴露出来。发生腐蚀后,接地碳钢材料变脆、起层、松散甚至断裂,接地体截面减小,表层的腐蚀产物造成接地性能不良,雷电冲击电流流经地网时,可能因电动力作用使地网或引下线断裂;腐蚀之后接地电阻明显增大,雷电流经引下线由接地装置入地时,入地点的地电位,跨步电压都会显著增大,危及人身安全;由于防雷的接地装置大多与设备、电源接地共用,接地装置上过大的压降,以过电压的形式侵入电源系统,对设备造成反击,引起事故。
2 接地装置的电化学腐蚀机理
土壤由含有多种无机物和有机物的土粒、水、空气所组成的不均匀多相体系。在土粒间存在大量细微孔隙,孔隙中充满空气和水,盐类溶解在水中成为电解质。埋在土壤中的接地体,其表面的不同部位因接触介质的理化性质不同(如温度、盐浓度、氧浓度、水含量等)而形成了不同的电极电位。接地金属构件上不同部位的电位差是引起接地装置腐蚀的根本原因。它通过土壤介质构成回路,形成腐蚀电池。电位较负的部位成为阳极,进行金属溶解反应,放出电子;电位较正的部位成为阴极区,进行阴极反应。
阳极Fe→Fe2++2e
阴极 2H++2e→H2↑ (强酸性土壤中)
O2+2H2O+4e→4OH- (中性或碱性土壤中)
铁离子进一步与OH¯结合生成Fe(OH)2
在阳极区有氧气存在时,还将进行反应:
4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3
Fe(OH)3不稳定,它将转变为更为稳定的产物:
Fe(OH)3→FeOOH+H2O
Fe(OH)3→Fe2O3�3H2O→Fe2O3+3H2O
在含有硫酸盐还原细菌的土壤中,阴极过程还包括硫酸根的还原:
SO4²-+6H20+8e→H2S+10OH-
当土壤中存在HCO3-、CO3²-、S²- 阴离子时,与阳极附近金属离子反应生成不溶性腐蚀产物,如FeCO3、FeS等。
因此,普通碳钢接地装置在土壤中的腐蚀产物主要为铁的氧化物、氢氧化物及铁离子与土壤中阴离子作用生成的不溶性物质。
3 腐蚀的防护
常用防腐方法包含以下几种:
(1) 合理设计。在接地装置设计中,应该测量土壤对铜、钢和渡锌钢的腐蚀速度, 并按预期的接地体使用年限,考虑一定的富裕量按腐蚀要求应选择的导体材料。然后与按热、动稳定要求所选择的导体截面积相比较,取大值作为设计。布置地网时,尽量避免将电极电位差较大的金属导体相连接或靠近,减小腐蚀速度。
(2)采用铜及其它耐腐蚀的有色金属做接地材料。但是铜价格昂贵,刚性不够,施工困难,并与地网连接或相邻的设备外壳构架基础、电缆皮、水油气管道等之间形成原电池,加速腐蚀。
(3)用覆盖层保护。覆盖层的作用在于使导体与外界隔离开来,以阻碍金属表面的微电池作用。覆盖层可以分为两类:一是金属覆盖层,用耐腐蚀性强的金属或合金将容易腐蚀的金属表面完全覆盖起来,如铜包钢材料、镀锌钢等。二是非金属覆盖层,其主要作用是将导体与电解质溶液隔离开来,用油漆,沥青和塑料等。这种方法主要用于接地引下线的防腐。
(4)牺牲阳极的阴极保护法。阴极保护法是电化学保护法的一种, 电化学保护法还包括阳极保护法。 阴极保护法主要有两种,一种是消耗阳极法,即牺牲阳极以保护阴极,也称为无源法;另一种是馈电法或称有源法。
图1是无源法的原理图。将一个比被保护物有更大负电性的辅助电极(镁)埋在土壤中,并与铜锌导体连接,就会产生所需电流。这样辅助电极被腐蚀,保护了锌和铜。
图2是有源法原理图。将电源负极接在被保护的锌和铜导体上,正极接在一辅助电极上(可用钢或石墨做成),这样电流从正极流向铜锌导体,辅助电极被腐蚀。
4 牺牲阳极的阴极保护法在接地装置防腐蚀中的应用
牺牲阳极的阴极保护法在海洋石油钻井平台、油气管线的腐蚀防护中广泛应用,实践证明它能有效地防止金属腐蚀,它具有保护效果好、保护周期长、施工方便等突出优点。接地体的腐蚀是由于钢材本身的电化学不均匀性和外界环境的不均匀性,在其表面形成了腐蚀原电池。因此,可以采用改变金属的表面电极电位而改变金属的腐蚀状况。牺牲阳极的阴极保护法靠电位较负的金属(例如锌和镁合金)的溶解提供保护电流,使被保护金属表面阴极极化,防止表面发生腐蚀。
目前用于牺牲阳极保护的阳极材料主要有锌、铝、镁以及以它们为基体的合金。由于锌合金阳极只适用于土壤电阻率低于15~20Ω・m的地区,铝合金阳极性能又不够稳定,在地下钢质物体的防腐保护方面大多用镁合金阳极。
当已知接地网的防蚀表面积S(m2),根据下式计算得防蚀电流:
I=S・δ(mA)δ=5~50(mA/m2)
按下式计算所需的牺牲阳极发生的电流I
I=(Ea-E0)/(ρ1/s+R)
R=(ρ1/s)・(Ea-Ep)/(Ep-E0)
式中:Ea保护阳极的开路电位 V
Ep设计保护电位 V
E0 被保护物的自然电位 V
S 被保护物的表面积 m2
ρ1 被保护物体L间距内的外敷绝缘层的电阻率Ω・m2
R阳极组的接地电阻 Ω
I―阳极输出电流,A
对于镁合金阳极,A=2205A・h/kg,η=60%,K4=0.8,则上式可简化为
T=121G/I
按以上计算公式分析,设计牺牲阳极法阴极保护时,应考虑以下几点:
(a)牺牲阳极应设在土壤潮湿,地势低洼,且透气性差的地区,土壤电阻率以50~60Ω・m为宜,不超过80Ω・m。
(b)为了减少屏蔽作用,阳极间距离以3m为宜,阳极与被保护地网的间距也以3m为宜。阳极组适于小集中、大分散布置。每组根数以6根为宜,可水平或垂直敷设.阳极组的间距一般为1~2m。
5 结语
接地装置腐蚀的本质是电化学腐蚀,采用保护层、加入缓蚀剂都不能做到长期保护,采用铜合金又因资源缺乏成本过高难以推广。利用镁合金采取牺牲阳极的阴极保护法不仅适合新建接地装置的防护,而且技术经济性好,可望实现接地装置长久有效的目标。
参考文献
[1] 陈先禄.接地.重庆:重庆大学出版社.2001.8.
[2] 陈匡民.过程装备腐蚀与防护.北京:化学工业出版社,2001.5
[3] 李景禄.《实用电力接地技术》. 北京:中国电力出版社出版, 2002 年
[4] 胡学文,许崇武.接地网腐蚀与防护的研究.武汉:武汉大学,2002.2.
[5] 胡士信,阴极保护工程手册[M].北京:化学工业出版社,1999.1.
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