犧牲陽極截面形狀對其服役性能的影響

高佳偉,邢琳琳,唐德志,杜艷霞,尹志彪

(1. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083; 2. 北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100011)

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犧牲陽極截面形狀對其服役性能的影響

高佳偉1,邢琳琳2,唐德志1,杜艷霞1,尹志彪2

(1. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083; 2. 北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100011)

采用理論計算和現場試驗相結合的方法研究了D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長方形六種不同截面形狀對犧牲陽極服役性能的影響。結果表明，陽極截面為長方形時提供的陰保電流最大，同時自身的電流密度最小?；诖耍芯苛碎L寬比(k)對截面形狀為長方形的陽極服役性能的影響規律。結果表明，犧牲陽極提供的陰保電流隨著k的增大而增大，但陽極自身的腐蝕速率隨著k的增大先減小后增大，并在k=4.1時獲得最小值。

犧牲陽極；理論計算；現場試驗；截面形狀；電化學性能

陰極保護作為一種經濟有效的防腐蝕技術已經廣泛應用于埋地金屬管道及海底金屬管道中[1-6]。犧牲陽極陰極保護是一種常用的陰極保護方法，特別是在城鎮燃氣管網及海洋環境中應用尤為廣泛。常用的犧牲陽極材料有鎂合金、鋁合金以及鋅合金。通常鎂合金犧牲陽極用于土壤環境中[7-9]，鋅合金用于低電阻率的土壤或者海洋環境中；鋁合金犧牲陽極一般用于海洋環境中[10]。

根據不同的用途，犧牲陽極有不同的形狀和尺寸。為增加陽極表面積，陽極截面通常為梯型和D型。土壤和海洋中常采用梯型，梯型截面兼顧了較大的表面發散電流能力和通過設計獲得較長使用壽命的表面積/質量比率的條件[11-14]。為減少船在水中的阻力，陽極有時要做成流線型；為增加單位質量陽極的輸出，適應高電阻率環境，還可制作成線型。

然而，目前為止，人們對犧牲陽極形狀的研究較少，目前的陽極形狀大部分都是從用途方面考慮進行設計的，很少考慮到形狀對犧牲陽極服役性能的影響，從而造成犧牲陽極設計的不合理，如低效率高浪費等問題。為了給犧牲陽極的設計提供相關依據，本工作利用理論計算和模擬試驗相結合的方法研究了不同截面形狀及不同長寬比對犧牲陽極服役性能的影響規律。

1 理論計算

1.1 理論分析

假設陽極截面周長為C，則其等效直徑d：

(1)

陽極的接地電阻：

(2)

式中：ρ為土壤電阻率；l為犧牲陽極長度;t為犧牲陽極的埋深。

假設管道接地電阻為Rp-g,電纜電阻為Rc,那么整個犧牲陽極陰?；芈返目傠娮铻镽all：

(3)

犧牲陽極輸出的陰保電流i：

(4)

通常情況下，由于管道的接地電阻Rp-g?Ra-g,且Rc?Ra-g，所以:

(5)

式中:d為犧牲陽極的等效直徑。

將公式(1)代入公式(5)可得：

(6)

從公式(6)可以看出，犧牲陽極輸出的陰保電流i與其截面的周長C成正比例關系。陽極截面周長越大，其輸出的陰保電流也越大。因此，為了獲得較大的陰保電流，就需要通過截面形狀的設計使得犧牲陽極截面具有最大的周長。

假設陽極的表面積為S，則：

(7)

從陽極表面流出的電流密度J：

(8)

根據法拉第定律，陽極的腐蝕速率vcorr：

(9)

式中：M為摩爾當量；n為溶解金屬的原子價數；F為法拉第常數。

由式(6)～(9)可得，陽極的腐蝕速率vcorr:

(10)

由公式(10)可知，陽極的腐蝕速率與其截面周長密切相關，而陽極的服役壽命與其腐蝕速率成反比例關系，故而陽極截面周長對其服役壽命有非常重要的影響。

1.2 案例計算

1.2.1 截面形狀對犧牲陽極輸出電流和服役壽命的影響

目前常用的犧牲陽極截面形狀主要有D形和梯形兩種。為了探討截面形狀對犧牲陽極輸出電流及服役壽命的影響規律，本工作選取了D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長方形六種不同的截面形狀進行了相關計算，具體情況如下。

(1) 參數的設置 選取的陽極長度l=70 cm，截面面積S=115 cm2。然后保持陽極的截面面積為115 cm2不變進行截面形狀尺寸的確定。由于D形和梯形是目前犧牲陽極常用的兩種截面形狀，所以這兩種截面的尺寸參考國家標準SY/T 0019-1997埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規范進行等比例放大或縮小。最終選取的陽極截面形狀尺寸如圖1所示。此外陽極埋深1 m且水平鋪設。由于常見的土壤電阻率在20 ～100 Ω·m，最終選取土壤電阻率為50 Ω·m。選取的陽極驅動電壓為-0.650 V。

圖1 不同截面形狀的尺寸(單位:cm)Fig. 1 Sizes of different cross-sectional shapes

(2) 計算結果及分析 根據圖1所示各截面形狀的尺寸，得到了不同截面形狀的周長C，如表1所示。

表1 不同截面形狀的周長

圖2為不同截面形狀陽極輸出的陰保電流。由圖2可見，D形截面陽極的輸出電流最小，為40.802 mA，圓形截面陽極輸出的電流其次，為40.874 mA，而正六邊形與正方形截面陽極輸出的電流較大，分別為42.340 mA和44.730 mA，長方形截面陽極輸出的電流最大，高達56.518 mA。這是因為在所有截面中，長方形截面陽極的截面周長最大，為56 cm。

圖2 截面形狀對陽極輸出電流的影響Fig. 2 The effect of cross-sectional shape on the anode output current

圖3為不同截面陽極輸出的電流密度。由圖3可見，與輸出電流的變化規律相反，D形截面和圓形截面輸出電流密度最大，分別為1.537 mA/cm2和1.536 mA/cm2，正六邊形截面輸出電流密度其次，為1.516 mA/cm2，正方形和梯形截面陽極輸出的電流密度分別為1.490 mA/cm2和1.489 mA/cm2，長方形截面陽極輸出的電流密度最小，為1.442 mA/cm2。所以，在D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長方形六種不同截面形狀的陽極中，長方形截面陽極的服役壽命最長，且其輸出的陰保電流最大。

圖3 不同截面陽極輸出的電流密度Fig. 3 The current density of different cross-sectional shape

1.2.2 長寬比對犧牲陽極輸出電流和服役壽命的影響

從前面的計算結果可知，在六種不同截面形狀的犧牲陽極中，長方形截面陽極輸出的陰保電流最大，服役壽命最長。為了對犧牲陽極的截面形狀進行進一步的優化，考查了長寬比(k)對長方形截面犧牲陽極輸出的陰保電流及服役壽命的影響。

選取的陽極長度仍然為70 cm，截面面積S=115 cm2，選擇不同長寬比。此外陽極埋深仍然為1 m且水平鋪設。土壤電阻率為50 Ω·m，陽極驅動電壓為-0.65 V。

表2是不同長寬比下陽極截面的周長。圖4為不同長寬比下長方形截面陽極輸出的陰保電流。由圖4可見，隨著長寬比的逐漸增大，犧牲陽極輸出的陰保電流逐漸增加。當長寬比為1時，輸出的陰保電流為44.730 mA左右，當長寬比增大至4時，陽極輸出的電流增大至54.244 mA左右；當長寬比進一步增大至5時，陽極輸出的陰保電流升高至58.172 mA；當長寬比達到8時，陽極輸出的陰保電流達到了70.306 mA。

表2 不同長寬比下陽極的截面周長

圖4 不同長寬比的長方形截面犧牲陽極輸出的電流Fig. 4 The anode output current of different aspect ratio

圖5為不同長寬比(k)下長方形截面陽極輸出的電流密度。由圖5可見，與輸出電流的變化不同，犧牲陽極輸出的電流密度隨著長寬比的增大先減小后增大，并在k=4.1時達到最小值1.361 mA/cm2。當k超過4.1時，犧牲陽極輸出的電流密度逐漸增大。因此，當長寬比k=4.1時，犧牲陽極的服役壽命最長，同時輸出的陰保電流最大。

圖5 不同長寬比的長方形截面犧牲陽極輸出的電流密度Fig. 5 The current density of different aspect ratio

從以上的分析可以看出，犧牲陽極截面為長方形時輸出的陰保電流最大，同時自身的服役壽命最長；并且當陽極截面的長寬比為4.1時，陽極能獲得最大的電流發生能力同時具有較長的服役壽命。

2 現場試驗驗證

為了驗證上述結論的有效性，在現場搭建了模擬試驗，如圖6所示。模擬試驗由一條瀝青涂層的管道、一個電阻(0.1 Ω，10 W)以及AZ63鎂合金犧牲陽極組成。陽極的化學成分(質量分數/%)為：Al 5.824，Zn 2.905，Mn 0.282，Si 0.026，Fe 0.002，Cu 0.002，余量為鎂；開路電位-1.55 V(CSE，下同)；電容量1.24 A·h·g-1；電流效率56.52%。犧牲陽極截面形狀為D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長方形六種形狀，長方形截面的長寬比為1、2、4、6和8，犧牲陽極的尺寸為理論計算中犧牲陽極尺寸的0.1倍，埋深0.100 m，電阻率為29.500 Ω·m，管道接地電阻為6.800 Ω。在試驗開始前鎂陽極和管道先穩定10 min，測得管道的開路電位為-0.540 V，陽極開路電位均在-1.490 V左右，然后通過電阻R進行連接，鎂陽極向管道提供陰極保護。待系統穩定1 h后，測量電阻R兩端的直流電壓來確定鎂陽極輸出的陰保電流，從而確定鎂陽極輸出的電流密度，得到的試驗結果如圖7～9所示。

圖6 現場試驗俯視圖Fig. 6 A top view of the field test

圖7 不同截面形狀陽極輸出的陰保電流-現場試驗結果Fig. 7 The anode output current of different cross-sectional shape-the field test results

圖8 不同截面形狀陽極輸出的電流密度-現場試驗結果Fig. 8 The current density of different cross-sectional shape-the field test results

圖9 不同長寬比的長方形截面陽極輸出的陰保電流-現場試驗結果Fig. 9 The anode output current of different aspect ratio-the field test results

圖7為不同截面形狀陽極輸出的陰保電流。與

理論計算結果相似，D形截面陽極輸出的陰保電流最低4.870 mA；圓形截面陽極輸出的陰保電流其次；而正六邊形和梯形截面陽極輸出的陰保電流較大；長方形截面犧牲陽極輸出的陰保電流最大，高達6.120 mA。變化趨勢與2.2.1中理論計算結果完全相符。

圖8為不同截面形狀陽極輸出的陰保電流密度的變化。可以清楚地看出，D形和圓形截面陽極輸出的陰保電流密度最大，為0.183 mA/cm2，正六邊形截面陽極輸出電流密度其次，梯形截面陽極輸出的電流密度為0.176 mA/cm2，長方形截面陽極輸出的電流密度最小，為0.156 mA/cm2，這與2.1中理論計算結果的變化趨勢完全吻合。

圖9為截面形狀均為長方形時長寬比對犧牲陽極輸出的陰保電流及陰保電流密度的影響。可以清楚地看出，隨著長寬比k的增大，鎂合金犧牲陽極輸出的陰保電流逐漸增加。當k增大到8時，測得的陰保電流增加到11.500 mA，這與2.2中理論計算的結果變化規律相符。此外，陰保電流密度隨長寬比的變化規律與圖5中計算結果相似，隨著長寬比的增大先降低后而增大，并在k=4時取得最小值0.201 mA/cm2。

3 結論

(1) 通過理論計算對比D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長方形六種不同截面形狀對犧牲陽極輸出的陰保電流和服役壽命的影響，發現長方形截面犧牲陽極輸出的陰保電流最大，同時具有較長的服役壽命。

(2) 通過理論計算研究了長寬比對長方形截面犧牲陽極輸出的陰保電流和服役壽命的影響規律。結果表明，當長寬比為4.1時，犧牲陽極輸出的陰保電流最大，同時具有較長的服役壽命。

(3) 現場試驗結果與理論計算規律能夠很好地吻合，表明該理論計算結果有很強的適用性，可以進行進一步的現場驗證及推廣。

[1] 唐德志，杜艷霞，路民旭，等. 埋地管道交流干擾與陰極保護相互作用研究進展[J]. 中國腐蝕與防護學報,2013,33(5):351-356.

[2] 張玉星，杜艷霞，姜子濤. 交流干擾對埋地管線陰極保護的影響[J]. 腐蝕與防護,2013,34(4):350-358.

[3] 張萬友,王鑫焱,郗麗娟,等. 陰極保護技術中犧牲陽極材料的研究進展[J]. 腐蝕科學與防護技術,2013,25(5):420-424.

[4] 黃永昌. 電化學保護技術及其應用第三講犧牲陽極[J]. 腐蝕與防護,2000,21(5):232-235.

[5] 晉春云，王瑞召，張宏杰. 犧牲陽極陰極保護在蛇口燃氣管道的應用[J]. 腐蝕與防護，2008，29(7):410-413.

[6] WILSON K,JAWED M,NGALA V. The selection and use of cathodic protection systems for the repair of reinforced concrete structures[J]. Construction and Building Materials,2013,39:19-25.

[7] HOU J,ZHANG Q. Corrosion behavior of high potential Mg-Mn sacrificial anode[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys,2012,32(10):886-889.

[8] SHAMSUDIN S R,RAHMAT A,ISA M C,et al. Electrochemical corrosion behaviour of Mg-(Ca,Mn) sacrificial anodes[J]. Advanced Materials Research,2013,795:530-534.

[9] PARDO A,MERINO M C,COY A E,et al. Influence of microstructure and composition on the corrosion behaviour of Mg/Al alloys in chloride media[J]. Electrochimica Acta,2008,53(27):7890-7902.

[10] 吳蔭順,曹備. 陰極保護與陽極保護[M]. 北京:中石化出版社，2007.

[11] SY/T 0019-1997 埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規范[S].

[12] GB/T 21448-2008 埋地鋼質管道陰極保護技術規范[S].

[13] SY/T 0095-2000 埋地鎂犧牲陽極試樣試驗室評價的試驗方法[S].

[14] 胡士信. 陰極保護工程手冊[M]. 北京:化學工業出版社，1999.

Effect of the Cross Section Shape on the Performance of Sacrificial Anode

GAO Jia-wei1, XING Lin-lin2, TANG De-zhi1, DU Yan-xia1, YIN Zhi-biao2

(1. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China; 2. Beijing Gas Group Company Limited, Beijing 100011, China)

The effects of six different cross-sectional shapes, i.e. D, circular, ortho hexagonal, square, trapezoidal, and rectangular cross-sectional shapes, on the performance of sacrificial anode were investigated by theoretical calculation and field tests. The results showed that when the cross-sectional shape was rectangle, sacrificial anode provided the maximum cathodic protection current, and reached the minimum current density. Based on this, the effects of length to width ratio (k) on the performance of sacrificial anode were explored. The results showed that the cathodic protection current provided by sacrificial anode increased with increasing ofkwhile the current density of the sacrificial anode increased first and then decreased with increasing ofk, and reached the minimum value atk=4.1.

sacrificial anode; theoretical calculation; field test; cross section shape; electrochemical performance

2014-07-25

北京市燃氣集團有限責任公司科研項目《運行10年以上犧牲陽極服役行為和剩余壽命預測研究》

杜艷霞(1980-),副教授,博士,從事金屬材料的腐蝕與防護研究,010-62333972,duyanxia@ustb.edu.cn

TG172

A

1005-748X(2015)03-0289-05