牺牲阳极截面形状对其服役性能的影响

高佳伟,邢琳琳,唐德志,杜艳霞,尹志彪

(1. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083; 2. 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100011)



牺牲阳极截面形状对其服役性能的影响

高佳伟1,邢琳琳2,唐德志1,杜艳霞1,尹志彪2

(1. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083; 2. 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100011)

采用理论计算和现场试验相结合的方法研究了D形、圆形、正六边行、正方形、梯形以及长方形六种不同截面形状对牺牲阳极服役性能的影响。结果表明，阳极截面为长方形时提供的阴保电流最大，同时自身的电流密度最小。基于此，研究了长宽比(k)对截面形状为长方形的阳极服役性能的影响规律。结果表明，牺牲阳极提供的阴保电流随着k的增大而增大，但阳极自身的腐蚀速率随着k的增大先减小后增大，并在k=4.1时获得最小值。

牺牲阳极；理论计算；现场试验；截面形状；电化学性能

阴极保护作为一种经济有效的防腐蚀技术已经广泛应用于埋地金属管道及海底金属管道中[1-6]。牺牲阳极阴极保护是一种常用的阴极保护方法，特别是在城镇燃气管网及海洋环境中应用尤为广泛。常用的牺牲阳极材料有镁合金、铝合金以及锌合金。通常镁合金牺牲阳极用于土壤环境中[7-9]，锌合金用于低电阻率的土壤或者海洋环境中；铝合金牺牲阳极一般用于海洋环境中[10]。

根据不同的用途，牺牲阳极有不同的形状和尺寸。为增加阳极表面积，阳极截面通常为梯型和D型。土壤和海洋中常采用梯型，梯型截面兼顾了较大的表面发散电流能力和通过设计获得较长使用寿命的表面积/质量比率的条件[11-14]。为减少船在水中的阻力，阳极有时要做成流线型；为增加单位质量阳极的输出，适应高电阻率环境，还可制作成线型。

然而，目前为止，人们对牺牲阳极形状的研究较少，目前的阳极形状大部分都是从用途方面考虑进行设计的，很少考虑到形状对牺牲阳极服役性能的影响，从而造成牺牲阳极设计的不合理，如低效率高浪费等问题。为了给牺牲阳极的设计提供相关依据，本工作利用理论计算和模拟试验相结合的方法研究了不同截面形状及不同长宽比对牺牲阳极服役性能的影响规律。

1 理论计算

1.1 理论分析

假设阳极截面周长为C，则其等效直径d：

(1)

阳极的接地电阻：

(2)

式中：ρ为土壤电阻率；l为牺牲阳极长度;t为牺牲阳极的埋深。

假设管道接地电阻为Rp-g,电缆电阻为Rc,那么整个牺牲阳极阴保回路的总电阻为Rall：

(3)

牺牲阳极输出的阴保电流i：

(4)

通常情况下，由于管道的接地电阻Rp-g≪Ra-g,且Rc≪Ra-g，所以:

(5)

式中:d为牺牲阳极的等效直径。

将公式(1)代入公式(5)可得：

(6)

从公式(6)可以看出，牺牲阳极输出的阴保电流i与其截面的周长C成正比例关系。阳极截面周长越大，其输出的阴保电流也越大。因此，为了获得较大的阴保电流，就需要通过截面形状的设计使得牺牲阳极截面具有最大的周长。

假设阳极的表面积为S，则：

(7)

从阳极表面流出的电流密度J：

(8)

根据法拉第定律，阳极的腐蚀速率vcorr：

(9)

式中：M为摩尔当量；n为溶解金属的原子价数；F为法拉第常数。

由式(6)～(9)可得，阳极的腐蚀速率vcorr:

(10)

由公式(10)可知，阳极的腐蚀速率与其截面周长密切相关，而阳极的服役寿命与其腐蚀速率成反比例关系，故而阳极截面周长对其服役寿命有非常重要的影响。

1.2 案例计算

1.2.1 截面形状对牺牲阳极输出电流和服役寿命的影响

目前常用的牺牲阳极截面形状主要有D形和梯形两种。为了探讨截面形状对牺牲阳极输出电流及服役寿命的影响规律，本工作选取了D形、圆形、正六边行、正方形、梯形以及长方形六种不同的截面形状进行了相关计算，具体情况如下。

(1) 参数的设置 选取的阳极长度l=70 cm，截面面积S=115 cm2。然后保持阳极的截面面积为115 cm2不变进行截面形状尺寸的确定。由于D形和梯形是目前牺牲阳极常用的两种截面形状，所以这两种截面的尺寸参考国家标准SY/T 0019-1997埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范进行等比例放大或缩小。最终选取的阳极截面形状尺寸如图1所示。此外阳极埋深1 m且水平铺设。由于常见的土壤电阻率在20 ～100 Ω·m，最终选取土壤电阻率为50 Ω·m。选取的阳极驱动电压为-0.650 V。

图1 不同截面形状的尺寸(单位:cm)Fig. 1 Sizes of different cross-sectional shapes

(2) 计算结果及分析 根据图1所示各截面形状的尺寸，得到了不同截面形状的周长C，如表1所示。

表1 不同截面形状的周长

图2为不同截面形状阳极输出的阴保电流。由图2可见，D形截面阳极的输出电流最小，为40.802 mA，圆形截面阳极输出的电流其次，为40.874 mA，而正六边形与正方形截面阳极输出的电流较大，分别为42.340 mA和44.730 mA，长方形截面阳极输出的电流最大，高达56.518 mA。这是因为在所有截面中，长方形截面阳极的截面周长最大，为56 cm。

图2 截面形状对阳极输出电流的影响Fig. 2 The effect of cross-sectional shape on the anode output current

图3为不同截面阳极输出的电流密度。由图3可见，与输出电流的变化规律相反，D形截面和圆形截面输出电流密度最大，分别为1.537 mA/cm2和1.536 mA/cm2，正六边形截面输出电流密度其次，为1.516 mA/cm2，正方形和梯形截面阳极输出的电流密度分别为1.490 mA/cm2和1.489 mA/cm2，长方形截面阳极输出的电流密度最小，为1.442 mA/cm2。所以，在D形、圆形、正六边行、正方形、梯形以及长方形六种不同截面形状的阳极中，长方形截面阳极的服役寿命最长，且其输出的阴保电流最大。

图3 不同截面阳极输出的电流密度Fig. 3 The current density of different cross-sectional shape

1.2.2 长宽比对牺牲阳极输出电流和服役寿命的影响

从前面的计算结果可知，在六种不同截面形状的牺牲阳极中，长方形截面阳极输出的阴保电流最大，服役寿命最长。为了对牺牲阳极的截面形状进行进一步的优化，考查了长宽比(k)对长方形截面牺牲阳极输出的阴保电流及服役寿命的影响。

选取的阳极长度仍然为70 cm，截面面积S=115 cm2，选择不同长宽比。此外阳极埋深仍然为1 m且水平铺设。土壤电阻率为50 Ω·m，阳极驱动电压为-0.65 V。

表2是不同长宽比下阳极截面的周长。图4为不同长宽比下长方形截面阳极输出的阴保电流。由图4可见，随着长宽比的逐渐增大，牺牲阳极输出的阴保电流逐渐增加。当长宽比为1时，输出的阴保电流为44.730 mA左右，当长宽比增大至4时，阳极输出的电流增大至54.244 mA左右；当长宽比进一步增大至5时，阳极输出的阴保电流升高至58.172 mA；当长宽比达到8时，阳极输出的阴保电流达到了70.306 mA。

表2 不同长宽比下阳极的截面周长

图4 不同长宽比的长方形截面牺牲阳极输出的电流Fig. 4 The anode output current of different aspect ratio

图5为不同长宽比(k)下长方形截面阳极输出的电流密度。由图5可见，与输出电流的变化不同，牺牲阳极输出的电流密度随着长宽比的增大先减小后增大，并在k=4.1时达到最小值1.361 mA/cm2。当k超过4.1时，牺牲阳极输出的电流密度逐渐增大。因此，当长宽比k=4.1时，牺牲阳极的服役寿命最长，同时输出的阴保电流最大。

图5 不同长宽比的长方形截面牺牲阳极输出的电流密度Fig. 5 The current density of different aspect ratio

从以上的分析可以看出，牺牲阳极截面为长方形时输出的阴保电流最大，同时自身的服役寿命最长；并且当阳极截面的长宽比为4.1时，阳极能获得最大的电流发生能力同时具有较长的服役寿命。

2 现场试验验证

为了验证上述结论的有效性，在现场搭建了模拟试验，如图6所示。模拟试验由一条沥青涂层的管道、一个电阻(0.1 Ω，10 W)以及AZ63镁合金牺牲阳极组成。阳极的化学成分(质量分数/%)为：Al 5.824，Zn 2.905，Mn 0.282，Si 0.026，Fe 0.002，Cu 0.002，余量为镁；开路电位-1.55 V(CSE，下同)；电容量1.24 A·h·g-1；电流效率56.52%。牺牲阳极截面形状为D形、圆形、正六边行、正方形、梯形以及长方形六种形状，长方形截面的长宽比为1、2、4、6和8，牺牲阳极的尺寸为理论计算中牺牲阳极尺寸的0.1倍，埋深0.100 m，电阻率为29.500 Ω·m，管道接地电阻为6.800 Ω。在试验开始前镁阳极和管道先稳定10 min，测得管道的开路电位为-0.540 V，阳极开路电位均在-1.490 V左右，然后通过电阻R进行连接，镁阳极向管道提供阴极保护。待系统稳定1 h后，测量电阻R两端的直流电压来确定镁阳极输出的阴保电流，从而确定镁阳极输出的电流密度，得到的试验结果如图7～9所示。

图6 现场试验俯视图Fig. 6 A top view of the field test

图7 不同截面形状阳极输出的阴保电流-现场试验结果Fig. 7 The anode output current of different cross-sectional shape-the field test results

图8 不同截面形状阳极输出的电流密度-现场试验结果Fig. 8 The current density of different cross-sectional shape-the field test results

图9 不同长宽比的长方形截面阳极输出的阴保电流-现场试验结果Fig. 9 The anode output current of different aspect ratio-the field test results

图7为不同截面形状阳极输出的阴保电流。与

理论计算结果相似，D形截面阳极输出的阴保电流最低4.870 mA；圆形截面阳极输出的阴保电流其次；而正六边形和梯形截面阳极输出的阴保电流较大；长方形截面牺牲阳极输出的阴保电流最大，高达6.120 mA。变化趋势与2.2.1中理论计算结果完全相符。

图8为不同截面形状阳极输出的阴保电流密度的变化。可以清楚地看出，D形和圆形截面阳极输出的阴保电流密度最大，为0.183 mA/cm2，正六边形截面阳极输出电流密度其次，梯形截面阳极输出的电流密度为0.176 mA/cm2，长方形截面阳极输出的电流密度最小，为0.156 mA/cm2，这与2.1中理论计算结果的变化趋势完全吻合。

图9为截面形状均为长方形时长宽比对牺牲阳极输出的阴保电流及阴保电流密度的影响。可以清楚地看出，随着长宽比k的增大，镁合金牺牲阳极输出的阴保电流逐渐增加。当k增大到8时，测得的阴保电流增加到11.500 mA，这与2.2中理论计算的结果变化规律相符。此外，阴保电流密度随长宽比的变化规律与图5中计算结果相似，随着长宽比的增大先降低后而增大，并在k=4时取得最小值0.201 mA/cm2。

3 结论

(1) 通过理论计算对比D形、圆形、正六边行、正方形、梯形以及长方形六种不同截面形状对牺牲阳极输出的阴保电流和服役寿命的影响，发现长方形截面牺牲阳极输出的阴保电流最大，同时具有较长的服役寿命。

(2) 通过理论计算研究了长宽比对长方形截面牺牲阳极输出的阴保电流和服役寿命的影响规律。结果表明，当长宽比为4.1时，牺牲阳极输出的阴保电流最大，同时具有较长的服役寿命。

(3) 现场试验结果与理论计算规律能够很好地吻合，表明该理论计算结果有很强的适用性，可以进行进一步的现场验证及推广。

[1] 唐德志，杜艳霞，路民旭，等. 埋地管道交流干扰与阴极保护相互作用研究进展[J]. 中国腐蚀与防护学报,2013,33(5):351-356.

[2] 张玉星，杜艳霞，姜子涛. 交流干扰对埋地管线阴极保护的影响[J]. 腐蚀与防护,2013,34(4):350-358.

[3] 张万友,王鑫焱,郗丽娟,等. 阴极保护技术中牺牲阳极材料的研究进展[J]. 腐蚀科学与防护技术,2013,25(5):420-424.

[4] 黄永昌. 电化学保护技术及其应用第三讲牺牲阳极[J]. 腐蚀与防护,2000,21(5):232-235.

[5] 晋春云，王瑞召，张宏杰. 牺牲阳极阴极保护在蛇口燃气管道的应用[J]. 腐蚀与防护，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] 吴荫顺,曹备. 阴极保护与阳极保护[M]. 北京:中石化出版社，2007.

[11] SY/T 0019-1997 埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范[S].

[12] GB/T 21448-2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].

[13] SY/T 0095-2000 埋地镁牺牲阳极试样试验室评价的试验方法[S].

[14] 胡士信. 阴极保护工程手册[M]. 北京:化学工业出版社，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

北京市燃气集团有限责任公司科研项目《运行10年以上牺牲阳极服役行为和剩余寿命预测研究》

杜艳霞(1980-),副教授,博士,从事金属材料的腐蚀与防护研究,010-62333972,duyanxia@ustb.edu.cn

TG172

A

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