引 言
眾所周知，金屬腐蝕問題遍及國民經濟的各個領域，從日常生活到工農業生產，從尖端科技到國防工業的發展，凡是使用金屬材料的地方都存在不同程度的腐蝕問題。它給人們帶來巨大的經濟損失，造成災難性的事故，阻礙了科學技術的發展，危害極大。由此可見，金屬的腐蝕防護具有重大的現實意義和經濟意義。金屬在中性的水或土壤中的腐蝕基本屬于電化學腐蝕，陰極保護是防止電化學腐蝕最有效的方法。世界上采用陰極保護已經有幾十年的歷史了，其優異的防腐效果已經得到了充分的認證。
一、陰極保護技術
陰極保護分為犧牲陽極法和外加電流法兩種：
1、犧牲陽極保護方式
犧牲陽極的原理就是利用腐蝕原電池的原理，腐蝕原電池的形成是由于電位差引起的。通常規定電位低的電極稱為陽極，相反電位高的電極稱為陰極。腐蝕原電池的陽極電位低放出電子M—ne→Mn+，所以，陽極被腐蝕，陰極不發生腐蝕。利用這個原理，只要在被保護金屬上加犧牲陽極，使被保護的金屬成為陰極，從而得到保護。
這種方式的優點是：施工簡單費用低，安裝后不需要專門的管理工人，維護費用低，可使用在無外部電源場合和可移動的對象，對其它管道雜電干擾小，可更為有效地利用保護電流。
缺點：外加電位有限，輸出電流較低，土壤電阻率有限制。
2、外加電流方式
這種方式是將直流電源的負極與被保護體連接，把正極與陽極體（不溶陽極）外部電源連接，通過埋地的輔助陽極，將保護電流引入地下，通過電解質（土壤）向被保護體流通電流，被保護金屬在電解質中為陰極，其表面只發生還原反應，不發生金屬離子化的氧化反應。
這種方式的優點是：外加電位高，輸出電流大，幾乎適用于任何土壤環境，可靈活控制輸出電位和電流，可用于沒有涂層或劣質涂層的金屬構筑物，可保護重要的大型地下結構，管理、檢查、維護和操作較為方便，防腐效果容易測定，運行成本低廉。
缺點：安裝費用高，需要一定的運行及維護費用，可能會對外界管道產生雜散電流干擾。
由于城市地下金屬設施星羅棋布，縱橫交錯，地下埋有自來水管道、供暖管道、煤氣管道、輸油管道等設施。且土壤中雜散電流很強，因此城市中地下金屬設施的陰極保護大都采用犧牲陽極保護法。這是因為，犧牲陽極具有可分段施工、靈活方便、管理簡單，對鄰近設施無干擾腐蝕，并可起到防雷、防蝕作用，對雜散電流干擾腐蝕能起到接地排流作用。
一項工程施加犧牲陽極保護能否取得最佳保護效果，主要取決于犧牲陽極保護技術設計。
二、埋地管線犧牲陽極保護設計
設計前的調查工作對犧牲陽極保護的設計是不可缺少的一個環節，因為不同的土壤腐蝕差別很大，如鋼鐵在強腐蝕土壤中腐蝕速度平均為1mm/a，而在弱腐蝕性土壤中僅為0.05 mm/a。而影響土壤腐蝕的因素又很多，如全部掌握工作量太大。目前，工作中常用測量土壤電阻率來判定土壤腐蝕性的級別。土壤電阻率是綜合性的指標，且與陽極的輸出電流及選用何種陽極材料都有直接的關系。表1列出了土壤電阻率與腐蝕性的關系。
為此，應沿管道走向定點測量土壤電阻率，平均1公里左右一個測試點，同時還了解管道沿線有無雜散電流源等情況。
1、保護電流密度
陰極保護電流密度的大小是影響金屬陰極保護效果的最重要的參數，它與最小保護電位相對應。為使金屬達到完全保護，必須正確的選取陰極保護電流密度，如果選取的電流密度偏低，金屬達不到完全保護；反之，將會造成不必要的經濟損失。
陰極保護電流密度的大小與許多因素有關，如被保護金屬的種類、表面涂層的種類和質量、介質的性質、有效保護年限以及外界條件的影響等。這些因素的差異可以使陰極保護電流密度有幾十個μA/m2變化到幾十個mA/m2。表2列出了鋼鐵在某些條件下的保護電流密度。
2、犧牲陽極材料的選擇
目前，我國用作犧牲陽極保護的有鋅合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極和鎂合金犧牲陽極，在埋地管線犧牲陽極保護工程中通常不用鋁合金犧牲陽極。
①鋅合金犧牲陽極
六十年代以前，用的鋅陽極為純鋅犧牲陽極，因鐵含量偏高，在使用過程中易產生鈍化而失效。現在廣泛應用于工程中的鋅合金陽極是鋅—鋁—鎘三元鋅陽極。三元鋅陽極的成分和性能分別列于表3和表4中。
鋅合金陽極的特點是：電流效率高，表面溶解均勻，腐蝕產物疏松，易脫落，并且在保護鋼結構時有自動調節電流和電位的作用，但驅動電位較低，所以當土壤電阻率小于15Ωm時鋅陽極可用于地下管道的保護。
②鎂合金犧牲陽極
我國應用的鎂合金陽極主要是鎂—鋁—錳—鋅合金，其化學成分和電化學性能列于表5和表6中。
鎂陽極的特點是，電流效率低，電位相當負，對鋼的驅動電壓相當大，適宜在電阻率較高的介質中使用，土壤中鋼設施的保護大都采用鎂合金犧牲陽極。
3、犧牲陽極用量的計算
當材料選定后，能否使被保護體達到最佳保護狀態，關鍵在于陽極用量的計算。
所謂犧牲陽極用量計算，主要是指為了滿足被保護體得到足夠的保護電流需用量和有效保護年限而計算每塊陽極尺寸、形狀、重量以及每項工程所用的陽極塊數和總重量等。具體計算如下：
①設計參數選取
保護電流密度i=0.5mA/m2土壤電阻率小于30Ω·m地段
i=0.3mA/m2 土壤電阻率大于30Ω·m地段
②陽極發射電流計算
Ia=ΔE/R
式中Ia：陽極發射電流（A）
ΔE：犧牲陽極的驅動電壓（V）
R：犧牲陽極與鋼管之間電流回路總電阻（Ω），近似等于陽極的接地電阻Ra，可按下式計算：
Ra=1/2πL{ρln2L/da［1+L/4t/ln2L/da］+ρalnda/d}
式中L：陽極長度（cm）
ρ：土壤電阻率（Ω·cm）
da：陽極包直徑（cm）
t：陽極中心距地面的距離（cm）
d：陽極的直徑（cm）
ρa：填料包的電阻率（Ω·cm），取50Ω·cm
③陽極數量計算：
n=a×I/Ia
式中n：陽極數量（只）
a：遮蔽系數
I：需要的保護電流（mA）
Ia：每只陽極的放射電流（mA）
④陽極壽命計算：
T=0.85W/g×Ia′
式中T：陽極使用壽命（a）
W：陽極重量（kg）
g：陽極消耗率（kg/A·a）
Ia′：陽極的實際發射電流（mA）
0.85：陽極利用系數
三、犧牲陽極的布置與施工
1、犧牲陽極的布置
陽極布置原則上在沿線均勻布置，但也可以根據實際情況采用不等距布置。埋設的位置可視現場情況而定，一般在管道一側，也可以在管道兩側。陽極埋設點最好應選擇在地勢低洼潮濕、土層厚、易施工的地方。每個埋設點為一組，一組可由2—4支陽極組成。
2、犧牲陽極的施工
①陽極床填包料
為了保證犧牲陽極輸出電流穩定，提高陽極效率，降低陽極接地電阻，阻止陽極表面鈍化層的形成，陽極周圍一定要填加陽極床填包料。表7列出了犧牲陽極填包料的組成及適用條件。
4kg級鎂陽極以及10kg級以下的鋅陽極，每支陽極用填充料為30kg，其他級別的鎂陽極和鋅陽極用填充料均為50kg，并保證土壤回填密實。
②陽極埋設深度一般與被保護管道埋設深度相當，寒冷地區應埋設在土壤凍土層以下。
③陽極與管道間的距離一般選擇在1.5—3米的范圍內。
④同組陽極相互間距至少2m，以減少“屏蔽”作用，避免過多地降低陽極的電流輸出量。
⑤犧牲陽極鋼芯和電纜焊接處要加環氧樹脂或環氧煤瀝青防腐絕緣。
另外，犧牲陽極埋設前的組裝即陽極導線的連接，陽極表面的處理等也必須按照要求施工。施工質量的控制按《鎂合金犧牲陽極應用技術標準》SYJ19—86執行。
四、陰極保護技術在供熱管線中的應用
1、公司概況（長春市熱力集團）
我公司現供熱面積3100萬m2，共有鍋爐房15座，鍋爐47臺，總計1575噸，換熱站238座，循環水泵790臺，網總長度約為520公里，負責長春市994個企事業單位、機關團體及15萬戶居民的供熱任務。
2、陰極保護的應用
我公司部分管網由于使用年限較長，故腐蝕較為嚴重，公司一期主管網于1990年投產運行，現已運行16年，部分管網腐蝕很嚴重，存在安全隱患，必需更換，公司投入了大量資金在管網復置上。更換的管網又面臨著腐蝕的威脅，再過16個運行期，管網又必須更換了。這樣周而復始地進入了一個惡性循環，如何從根本上解決腐蝕給管網帶來的危害呢？陰極保護是防止管網腐蝕最經濟和有效的方法。
我公司在一段長度為150米外徑1120mm的過河管線上應用陰極保護的犧牲陽極來進行管網防護。經過計算，確定陽極尺寸為鎂合金陽極：（130+150）×125×700mm，凈重22kg，數量為12個，壽命30年。如圖所示。
目前為止，犧牲陽極工作正常，管道使用壽命大大增加，從長遠角度看，勢必為公司節約大量管網復置費用。
五、結束語
近幾年來陰極保護得到了迅速發展和廣泛應用，特別是在地下金屬管線保護方面有長足的發展。它具有簡單、施工方便、保護時間長等特點，是一項投資少、效果好、經濟效益顯著的應用技術。
眾所周知，金屬腐蝕問題遍及國民經濟的各個領域，從日常生活到工農業生產，從尖端科技到國防工業的發展，凡是使用金屬材料的地方都存在不同程度的腐蝕問題。它給人們帶來巨大的經濟損失，造成災難性的事故，阻礙了科學技術的發展，危害極大。由此可見，金屬的腐蝕防護具有重大的現實意義和經濟意義。金屬在中性的水或土壤中的腐蝕基本屬于電化學腐蝕，陰極保護是防止電化學腐蝕最有效的方法。世界上采用陰極保護已經有幾十年的歷史了，其優異的防腐效果已經得到了充分的認證。
一、陰極保護技術
陰極保護分為犧牲陽極法和外加電流法兩種：
1、犧牲陽極保護方式
犧牲陽極的原理就是利用腐蝕原電池的原理，腐蝕原電池的形成是由于電位差引起的。通常規定電位低的電極稱為陽極，相反電位高的電極稱為陰極。腐蝕原電池的陽極電位低放出電子M—ne→Mn+，所以，陽極被腐蝕，陰極不發生腐蝕。利用這個原理，只要在被保護金屬上加犧牲陽極，使被保護的金屬成為陰極，從而得到保護。
這種方式的優點是：施工簡單費用低，安裝后不需要專門的管理工人，維護費用低，可使用在無外部電源場合和可移動的對象，對其它管道雜電干擾小，可更為有效地利用保護電流。
缺點：外加電位有限，輸出電流較低，土壤電阻率有限制。
2、外加電流方式
這種方式是將直流電源的負極與被保護體連接，把正極與陽極體（不溶陽極）外部電源連接，通過埋地的輔助陽極，將保護電流引入地下，通過電解質（土壤）向被保護體流通電流，被保護金屬在電解質中為陰極，其表面只發生還原反應，不發生金屬離子化的氧化反應。
這種方式的優點是：外加電位高，輸出電流大，幾乎適用于任何土壤環境，可靈活控制輸出電位和電流，可用于沒有涂層或劣質涂層的金屬構筑物，可保護重要的大型地下結構，管理、檢查、維護和操作較為方便，防腐效果容易測定，運行成本低廉。
缺點：安裝費用高，需要一定的運行及維護費用，可能會對外界管道產生雜散電流干擾。
由于城市地下金屬設施星羅棋布，縱橫交錯，地下埋有自來水管道、供暖管道、煤氣管道、輸油管道等設施。且土壤中雜散電流很強，因此城市中地下金屬設施的陰極保護大都采用犧牲陽極保護法。這是因為，犧牲陽極具有可分段施工、靈活方便、管理簡單，對鄰近設施無干擾腐蝕，并可起到防雷、防蝕作用，對雜散電流干擾腐蝕能起到接地排流作用。
一項工程施加犧牲陽極保護能否取得最佳保護效果，主要取決于犧牲陽極保護技術設計。
二、埋地管線犧牲陽極保護設計
設計前的調查工作對犧牲陽極保護的設計是不可缺少的一個環節，因為不同的土壤腐蝕差別很大，如鋼鐵在強腐蝕土壤中腐蝕速度平均為1mm/a，而在弱腐蝕性土壤中僅為0.05 mm/a。而影響土壤腐蝕的因素又很多，如全部掌握工作量太大。目前，工作中常用測量土壤電阻率來判定土壤腐蝕性的級別。土壤電阻率是綜合性的指標，且與陽極的輸出電流及選用何種陽極材料都有直接的關系。表1列出了土壤電阻率與腐蝕性的關系。
為此，應沿管道走向定點測量土壤電阻率，平均1公里左右一個測試點，同時還了解管道沿線有無雜散電流源等情況。
1、保護電流密度
陰極保護電流密度的大小是影響金屬陰極保護效果的最重要的參數，它與最小保護電位相對應。為使金屬達到完全保護，必須正確的選取陰極保護電流密度，如果選取的電流密度偏低，金屬達不到完全保護；反之，將會造成不必要的經濟損失。
陰極保護電流密度的大小與許多因素有關，如被保護金屬的種類、表面涂層的種類和質量、介質的性質、有效保護年限以及外界條件的影響等。這些因素的差異可以使陰極保護電流密度有幾十個μA/m2變化到幾十個mA/m2。表2列出了鋼鐵在某些條件下的保護電流密度。
2、犧牲陽極材料的選擇
目前，我國用作犧牲陽極保護的有鋅合金犧牲陽極、鋁合金犧牲陽極和鎂合金犧牲陽極，在埋地管線犧牲陽極保護工程中通常不用鋁合金犧牲陽極。
①鋅合金犧牲陽極
六十年代以前，用的鋅陽極為純鋅犧牲陽極，因鐵含量偏高，在使用過程中易產生鈍化而失效。現在廣泛應用于工程中的鋅合金陽極是鋅—鋁—鎘三元鋅陽極。三元鋅陽極的成分和性能分別列于表3和表4中。
鋅合金陽極的特點是：電流效率高，表面溶解均勻，腐蝕產物疏松，易脫落，并且在保護鋼結構時有自動調節電流和電位的作用，但驅動電位較低，所以當土壤電阻率小于15Ωm時鋅陽極可用于地下管道的保護。
②鎂合金犧牲陽極
我國應用的鎂合金陽極主要是鎂—鋁—錳—鋅合金，其化學成分和電化學性能列于表5和表6中。
鎂陽極的特點是，電流效率低，電位相當負，對鋼的驅動電壓相當大，適宜在電阻率較高的介質中使用，土壤中鋼設施的保護大都采用鎂合金犧牲陽極。
3、犧牲陽極用量的計算
當材料選定后，能否使被保護體達到最佳保護狀態，關鍵在于陽極用量的計算。
所謂犧牲陽極用量計算，主要是指為了滿足被保護體得到足夠的保護電流需用量和有效保護年限而計算每塊陽極尺寸、形狀、重量以及每項工程所用的陽極塊數和總重量等。具體計算如下：
①設計參數選取
保護電流密度i=0.5mA/m2土壤電阻率小于30Ω·m地段
i=0.3mA/m2 土壤電阻率大于30Ω·m地段
②陽極發射電流計算
Ia=ΔE/R
式中Ia：陽極發射電流（A）
ΔE：犧牲陽極的驅動電壓（V）
R：犧牲陽極與鋼管之間電流回路總電阻（Ω），近似等于陽極的接地電阻Ra，可按下式計算：
Ra=1/2πL{ρln2L/da［1+L/4t/ln2L/da］+ρalnda/d}
式中L：陽極長度（cm）
ρ：土壤電阻率（Ω·cm）
da：陽極包直徑（cm）
t：陽極中心距地面的距離（cm）
d：陽極的直徑（cm）
ρa：填料包的電阻率（Ω·cm），取50Ω·cm
③陽極數量計算：
n=a×I/Ia
式中n：陽極數量（只）
a：遮蔽系數
I：需要的保護電流（mA）
Ia：每只陽極的放射電流（mA）
④陽極壽命計算：
T=0.85W/g×Ia′
式中T：陽極使用壽命（a）
W：陽極重量（kg）
g：陽極消耗率（kg/A·a）
Ia′：陽極的實際發射電流（mA）
0.85：陽極利用系數
三、犧牲陽極的布置與施工
1、犧牲陽極的布置
陽極布置原則上在沿線均勻布置，但也可以根據實際情況采用不等距布置。埋設的位置可視現場情況而定，一般在管道一側，也可以在管道兩側。陽極埋設點最好應選擇在地勢低洼潮濕、土層厚、易施工的地方。每個埋設點為一組，一組可由2—4支陽極組成。
2、犧牲陽極的施工
①陽極床填包料
為了保證犧牲陽極輸出電流穩定，提高陽極效率，降低陽極接地電阻，阻止陽極表面鈍化層的形成，陽極周圍一定要填加陽極床填包料。表7列出了犧牲陽極填包料的組成及適用條件。
4kg級鎂陽極以及10kg級以下的鋅陽極，每支陽極用填充料為30kg，其他級別的鎂陽極和鋅陽極用填充料均為50kg，并保證土壤回填密實。
②陽極埋設深度一般與被保護管道埋設深度相當，寒冷地區應埋設在土壤凍土層以下。
③陽極與管道間的距離一般選擇在1.5—3米的范圍內。
④同組陽極相互間距至少2m，以減少“屏蔽”作用，避免過多地降低陽極的電流輸出量。
⑤犧牲陽極鋼芯和電纜焊接處要加環氧樹脂或環氧煤瀝青防腐絕緣。
另外，犧牲陽極埋設前的組裝即陽極導線的連接，陽極表面的處理等也必須按照要求施工。施工質量的控制按《鎂合金犧牲陽極應用技術標準》SYJ19—86執行。
四、陰極保護技術在供熱管線中的應用
1、公司概況（長春市熱力集團）
我公司現供熱面積3100萬m2，共有鍋爐房15座，鍋爐47臺，總計1575噸，換熱站238座，循環水泵790臺，網總長度約為520公里，負責長春市994個企事業單位、機關團體及15萬戶居民的供熱任務。
2、陰極保護的應用
我公司部分管網由于使用年限較長，故腐蝕較為嚴重，公司一期主管網于1990年投產運行，現已運行16年，部分管網腐蝕很嚴重，存在安全隱患，必需更換，公司投入了大量資金在管網復置上。更換的管網又面臨著腐蝕的威脅，再過16個運行期，管網又必須更換了。這樣周而復始地進入了一個惡性循環，如何從根本上解決腐蝕給管網帶來的危害呢？陰極保護是防止管網腐蝕最經濟和有效的方法。
我公司在一段長度為150米外徑1120mm的過河管線上應用陰極保護的犧牲陽極來進行管網防護。經過計算，確定陽極尺寸為鎂合金陽極：（130+150）×125×700mm，凈重22kg，數量為12個，壽命30年。如圖所示。
目前為止，犧牲陽極工作正常，管道使用壽命大大增加，從長遠角度看，勢必為公司節約大量管網復置費用。
五、結束語
近幾年來陰極保護得到了迅速發展和廣泛應用，特別是在地下金屬管線保護方面有長足的發展。它具有簡單、施工方便、保護時間長等特點，是一項投資少、效果好、經濟效益顯著的應用技術。
