电偶阳极

简而言之，腐蚀是一种基于电化学机制(氧化还原反应)的化学反应。^[1]在腐蚀过程中，有两种反应：氧化(反应)，即电子离开金属(并导致金属的实际损失)和还原(反应 和 )，即电子用于将水或氧转化为氢氧化物。^[2]

Fe → Fe2+ + 2e−

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O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−

()

2H2O + 2e− → H2 + 2OH−

()

在大多数环境中，氢氧根离子和亚铁离子结合形成氢氧化亚铁，最后形成人们所熟悉的棕色铁锈:^[3]

Fe2+ + 2OH− → Fe(OH)2

()

一旦腐蚀发生，金属表面将会发生氧化和还原反应并形成电化学电池，于是一些区域作阳极(氧化)而一些区域作阴极(还原)。金属腐蚀时，电子由阳极区域流向电解液。反过来说，当电子从电解质流向阴极区域时，腐蚀速率会降低。^[4] (电子流与电流方向相反)。

随着金属腐蚀继续进行，金属表面的局部电位将发生变化，而且阳极和阴极区域将会改变和移动。因此，在黑色金属中，铁锈将覆盖整个表面，这最终会消耗掉所有的金属。这是对腐蚀过程一个相当简单的呈现，因为腐蚀可以以几种不同的形式发生。^[5]

阴极保护的工作原理是引入另一种表面电位更负的金属(电偶阳极)，保证所有的电流都将从引入的阳极流出，使得被保护金属成为阴极而非阳极。这种方式通过将电流转移到电偶阳极上使阳极被牺牲而结构受到保护，有效地阻止了金属表面的氧化反应。^[6]

为了保证这一原理发挥作用，阳极和被保护金属之间必须有电子流通通道(如导线或直接接触)，氧化剂(如水或潮湿土壤)和阳极、氧化剂和被保护金属之间必须有离子迁移路径，从而形成闭合回路；因此，在空气(不良导体，因此无法形成闭合电路)中简单地将一片活性金属(如锌)连接到中活性较低的金属(如低碳钢)上，将不会形成任何保护。

用作电偶阳极的材料主要有三种金属：镁、铝和锌。它们都有块状、棒状、平板状或挤压而成的带状。每种材料各有优缺点。

三种金属中，镁的电极电位最负(见电偶系列)，更适合电解质(土壤或水)电阻率较高的区域。镁通常应用于岸上管道和其他地下结构，尽管它也用于淡水船只和热水器。在某些情况下，镁的负电位将成为缺点:如果受保护金属的电位变得太负，氢离子可能会在阴极表面析出，导致氢脆或涂层剥离。^[7][8] 如果发生这种情况，可能会改用锌阳极。

锌和铝一般用在盐水中，因为盐水的电阻率通常较低。其典型用途是船体和船壳、海上管道和生产平台、盐水冷却的船用发动机、小船螺旋桨和方向舵以及储罐的内表面。

锌虽然是一种可靠的材料，但因为锌在高温下会钝化(电位变得不够负)，不适合在较高温度下使用；如果钝化发生，电流可能停止流动，而阳极将不再被消耗。^[9]锌的驱动电压相对较低，这意味着在电阻率较高的土壤或水中，锌可能无法提供足够的电流。然而，在某些情况下，例如存在氢脆风险时，这种较低的电压是有利的，因为它可以避免过度保护。^[10]

相对于锌阳极，铝阳极有几个优点，比如重量更小、容量更大。然而，铝阳极电化学行为不如锌可靠，因此在使用时必须更加小心。当氯化物浓度低于百万分之1446，铝阳极将钝化。^[11]

铝阳极的缺点之一是，如果它接触生锈的表面，可能会产生大量铝热剂火花，因此在可能有爆炸性气氛和阳极掉落风险的储罐中，铝阳极被限制使用。^[8]

由于电偶阳极基于阳极和阴极之间的电极电势差工作，实际上只要有足够的电势差，任何金属都可以用来保护其他金属。例如，铁阳极可以用来保护铜。^[12]

电偶阳极的阴极保护系统的设计应考虑许多因素，包括结构种类、运行电解液(土壤或水)的电阻率、涂层种类和使用寿命。

首先要计算在所需时间内需要多少阳极材料来保护结构。太少的材料可能会暂时提供保护，但需要定期更换。过多的材料会浪费不必要的成本提供保护。材料的质量（以千克单位）由等式()给出。^[13]

质量 = (所需电流 x 设计寿命 x 8760) ÷ (利用率 x 阳极容量)

()

• 设计寿命以年为单位(1年= 8760小时)。
• 阳极的利用率是一个恒定值，取决于阳极的形状和连接方式，利用率指的是阳极在失效之前的消耗量。利用率为0.8表示在更换阳极之前，80%的阳极可以被消耗掉。细长的直立式阳极(安装在支腿上，使阳极远离结构)的利用率为0.9，而短的嵌入阳极的利用率为0.8。^[13]
• 阳极容量是电流随时间流动消耗多少材料的指标。海水中锌的阳极容量为780 Ah/kg，而铝的阳极容量为2000 Ah/kg，^[13]这意味着理论上，铝在耗尽之前可以产生比锌多得多的电流，这是选择特定材料时要考虑的因素之一。

所需的电流量与暴露于土壤或水中的金属表面积直接相关，因此涂层的应用大大减少了所需阳极材料的质量。涂层越好，所需阳极材料就越少。

一旦知道材料的质量，就可以选择出特定类型的阳极。阳极形状不同，接地电阻也将不同，这决定了可以产生多少电流，因此要计算阳极的电阻以确保有足够的电流可用。如果阳极的电阻过高，那要么选择不同形状或尺寸的阳极，要么必须使用更多数量的阳极。^[13]

接下来就是规划阳极的位置，以便为整个结构提供均匀的电流分布。例如，如果某设计显示一条10公里(6.2英里)长的管道需要10个阳极，那么大约每公里放置一个阳极比将10个阳极都放在一端或中心更有效。

4.1 优势

• 不需要外部电源。
• 相对容易安装。
• 较低的电压和电流，对其他结构造成杂散电流干扰的风险较低。
• 比外加电流阴极保护系统需要更低的监控频率。
• 过度保护的风险相对较低。
• 一经安装，受培训的人员测试系统组件相对简单。

4.2 缺点

• 低电流密度下电流容量受阳极质量和自身消耗限制。
• 较低的驱动电压意味着阳极可能无法在高电阻率环境中工作。
• 通常要求该结构与其他结构和地面之间绝缘。
• 阳极质量大，会增加移动结构或管道内壁的耐水性。
• 在有直流电源的地方，电能可以比电偶阳极更便宜。
• 当使用大型阵列时，由于要保证高电流低电阻损耗，需要布线。
• 阳极必须小心放置，以避免进入螺旋桨的水流干扰。
• 为维持有效性，阳极必须作为正常维护的一部分进行检查和/或更换。

由于所使用的阳极材料通常比铁贵，用这种方法来保护黑色金属结构似乎不是特别划算。然而，成本中还应考虑将船只从水中移走所产生的费用，例如修理腐蚀的船体或更换钢制管道或储罐，因为腐蚀破坏了其结构完整性。

然而，电偶阳极系统的成本效益是有限的。在较大的结构或长管道上，可能用到的阳极数量庞大，于是安装外加电流阴极保护显得更具成本效益。

制备电偶阳极的基本方法是铸造。然而，铸造方法可以区分两种。^[14]

高压压铸工艺被广泛应用于制备电偶阳极。这是一个全自动的机械制造过程。为了使制造过程以可靠和可重复的方式运行，需要对制备的电偶阳极合金进行改性。另外，可以用重力铸造工艺生产电偶阳极。该过程借助手动或部分自动完成。制备的合金不一定与制造工艺相适应，但是可以根据100%最佳防腐效果设计。