二、輔助陽極地床

　　輔助陽極是在陰極保護裝置中，將保護電流從外加直流電源引入土壤中的導(dǎo)電體，外加電流通過輔助陽極輸送到埋地的被保護金屬管道的表面，金屬體陰極極化。
　　(一)輔助陽極
　　強制電流用輔助陽極多選用電子型導(dǎo)體材料。選用輔助陽極主要應(yīng)考慮成本、電化學(xué)性能和機械性能等因素。這些因素是相互關(guān)聯(lián)的。具
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圖10-36 太陽能陰極保護系統(tǒng)
1—太陽能電池方陣 2—充電控制器　3—蓄電池組 4—陰極保護控制裝置　5—連接電纜

　　體材料的選擇不只是涉及到總費用，而且還必須考慮陰極保護系統(tǒng)的初期費用和被保護設(shè)備及陰極保護裝置在設(shè)計壽命期間的維護、運行及更新費用。
　　適合作輔助陽極材料的導(dǎo)電體應(yīng)具備以下條件：
　　1.具有良好的導(dǎo)是性能，能通過較大的電流量，極化小。
　　2.與土壤或地下水接觸時具有穩(wěn)定的接觸電阻。
　　3.化學(xué)穩(wěn)定性好，陽極本身的消耗低。
　　4.機械性能了，便于加工和安裝。
　　5.來源廣、價格低廉。
　　輔助陽極材料分為如下幾大類：
　　稀有金屬在：以鉑為主，其基材可分為鉭、鈦、鈮等。
　　黑色金屬類：以廢鋼鐵、高硅鑄鐵為主要代表。
　　鉛系材料：以鉛銀合金、鉛鉑為主要代表。
　　碳素材料：以石墨為主要代表。
　　有色金屬材料：以鋁、鋅為主、也可當(dāng)作輔助陽極用。
　　另外還有復(fù)合式陽極。
　　在土壤和淡水中，應(yīng)用最多是廢鋼鐵、石墨及高硅鑄鐵材料。
　　廢鋼鐵是用于強制電流輔助陽極最早的陽極材料。其優(yōu)點是來源廣，價格便宜，常使用報廢的舊裝置；其缺點是消耗率高，可達9～10kg/A·a。鋼鐵陽極的工作電流密度不必限制，在運行時以鐵的電解腐蝕為主要陽極反應(yīng)，所以在電極上析出氣體很少，沒有“氣阻”問題。
　　高硅鑄鐵材料問世于1912年，長期以來作為化學(xué)工業(yè)的耐蝕材料應(yīng)用。其主要成分為：14％Si，0．7％Mn，0．95％C，余量為鐵。在陽極條件下工作的硅鑄鐵，表面生成二氧化硅膜，滲透性很好，是良好的電子導(dǎo)體。但高硅鑄鐵耐鹵素的性能很差，所以它的使用應(yīng)限制在含C1-小于萬分之二的環(huán)境中。為了改善耐C1-的能力，可在高硅鑄鐵中添加1％～3%的鉻，稱之為高硅鉻鐵。自1959年以來，它已廣泛應(yīng)用于海水或含氯化物的土壤環(huán)境中。其典型成分為：14．4％Si，0．7GMn，1.0%C，4.25%Cr，余量為鐵。高硅鑄鐵在應(yīng)用中，應(yīng)注意“氣阻”和搬運中的脆斷。
　　高硅鑄鐵陽極一般為圓柱形，可使陽極的腐蝕均勻。它又有空心與實心之分，空心陽極的利用率比較高。
　　對陽極引出線有限制的原因，是為了減小接線的電阻。因此也對引出導(dǎo)線的截面有16mm2的要求，以便在陰極保護進行中，使電能的消耗大部分用于被保護金屬的防護。根據(jù)規(guī)范，陽極引出線的接觸電阻應(yīng)小于0.01Ω，其拉脫力值應(yīng)大于陽極自身重量的1．5倍。接頭應(yīng)密封可靠，陽極表面應(yīng)無明顯的缺陷。
　　高硅鑄鐵陽極使用性能與常用規(guī)格見表10-53和表10-54。
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表10-53 高硅鑄鐵陽極使用性能

種類	允許電流密度/(A/m2)	消耗率/(kg/A·a)	使用環(huán)境
高硅鑄鐵陽極	50～80	<0.5	土壤、淡水
高硅鉻鐵陽極	50～80	<0.5	含氯離子土壤、海水

表10-54 常用高硅鑄鐵陽極規(guī)格

序號	陽極規(guī)格		陽極引出線規(guī)格		參考質(zhì)量/kg
	直徑/mm	長度/mm	截面積/mm2	長度/mm
1	50	1500	16	>1000	22
2	75	1500	16	>1000	35
3	100	1500	16	>1000	80

　　石墨陽極是公認(rèn)的耐蝕材料，也是微溶性材料。尤其是耐氯性能好，因此可應(yīng)用于海水和含氯化物的土壤中。但由于它質(zhì)脆。安裝不方便，在使用上頗受限制。近年來多用樹脂浸漬石墨以增強其機械性能，這種石墨稱為不透性石墨。但不透性石墨電阻較大，陽極表面電流分布不均勻，在電流集中處易斷裂。
　　我國在地下電纜和長輸管道的防護中，均使用了石墨陽極。石墨陽極在加拿大、美國等應(yīng)用較廣泛。從1927年使用起，至今已有較長的歷史。
　　石墨陽極的石墨化程度應(yīng)大于或等于81％、灰分應(yīng)小于0.5%。石墨陽極宜經(jīng)亞麻油或石蠟浸漬處理。石墨陽極的主要性能指標(biāo)見表10-55，常用規(guī)格見表10-56。
　　石墨陽極的陽極引出線接觸電阻應(yīng)小于0．01Ω，拉脫力數(shù)值應(yīng)大于陽極自身重量的1．5倍。且接頭應(yīng)密封可靠。
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表10-55 石墨陽極的主要性能

密度/(g/cm3)	電阻率/(Ω·mm2/m)	氣孔率(%)	消耗率/(kg/A·a)	允許電流密度/(A/m2)
1.7～2.2	9.5～11.0	25～30	<0.6	5～10

表10-56 常用石墨陽極規(guī)格

序號	陽極規(guī)格		陽極引出線規(guī)格		參考質(zhì)量/kg
	直徑/mm	長度/mm	截面積/mm2	長度/mm
1	75	1000	16	>1000	10
2	100	1450	16	>1000	23
3	150	1450	16	>1000	51

　　為提高耐蝕性，可用樹脂浸漬。用亞麻油浸漬則可降低氣孔，抑制可能引盧的陽極脹裂或過早失效、表面氣體的析出及碳的氧化。浸漬后的陽極壽命可延長約 50％。
　　石墨陽極不能在有氧浸入、呈酸性和硫酸鹽離子較高的地方長期使用。如厙拿大薩斯喀溫省東南，20年期間已有數(shù)百個陽極地床被損壞，經(jīng)過土壤分析確認(rèn)，是硫酸鹽的浸蝕性所致，使陽極使用的壽命僅為2～3年。
　　磁性氧化鐵陽極是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型難溶性陽極材料。主要是用磁鐵礦和鐵氧體經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成磁性氧化鐵粉末。再采用專門的鑄造技術(shù)，將磁性氧化鐵粉末鑄成中空有底的圓柱陽極。
　　磁性氧化鐵具有消耗低、使用壽命長、受溫度變化影響小的優(yōu)點。
　　磁性氧化鐵的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是：Fe₃O₄92％～93％(FeO約占30%，F(xiàn)e₂O約占 62％～63％)，SiO₂4％～6％。CaO、MgO、Al₂O₃分別占0.1%～1%。
　　為了在整個陽極表面得到盡量均勻的電流密度，整個內(nèi)表面鍍一層銅。
　　陽極長度約800mm，外徑60mm，壁厚5～10mm。磁性氧化鐵陽極的電阻率很低，反允許通過的電流密度約20～50A/h·m²，消耗率為0.02～0.15kg/A·a。其機械性能與高硅鐵相似，也具有硬、脆的特點。在日本、加拿大、瑞典都有應(yīng)用。特別是適用于土壤中，也可用于海水和淡水中。因此，被認(rèn)為是今后外加電流陰極保護中最具前途的陽極材料。
　　常用的陽極材料特性見表10-57。
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表10-57 輔助陽極材料及性能

陽極材料	主要成分	消耗率/(kg/A·a)	允許電流密度(A/m2)
高硅鑄鐵	Si14.5%,Dr4.5%	0.1～1.0	5～80
石墨	C	0.4～1.3	5～10
磁性氧化鐵	Fe3O4	0.003～0.008	100～1000
鋼鐵	Fe	9.1～1.0	?

　　上述陽極材料是在陰極保護中技術(shù)成熟、使用普遍的輔助陽極材料，在我國也廣泛應(yīng)用(除磁性氧化鐵外)。各國均根據(jù)本國資源及技術(shù)條件來選用陽極材料。如在海水中金屬構(gòu)筑物的防護，美國過去用石墨陽極，后來用鍍鉑鈦陽極，近年來開始采用鉑鈀合金陽極；英國采用鍍鉑鈦、鉛銀合金，近年來在試驗鍍鉑鉭；日本則采用鉛銀合金和鉛鉑復(fù)合電極。
　　(二)參比電極
　　陰極保護中經(jīng)常需要測量和控制設(shè)備的電位，使其處于保護電位之內(nèi)。要測量電位，就需要一個已知電位的相對標(biāo)準(zhǔn)的電極，將待測電位與之比較。這種電極稱為參比電極，即參比電極是一種電位恒定的基準(zhǔn)電極。在測量中，用這個電極的電位差來表示被測物的電位值。參比電極除電位穩(wěn)定外，還應(yīng)具有易于制作、便于攜帶、電位精確、重復(fù)性好、測量方便、壽命較長及價格便宜的特點。
　　在陰極保護中常選擇可逆電極來做參比。如甘汞電極(中性介質(zhì)中)、硫酸電極(土壤、中性介質(zhì))、氯化銀電極(海水、氯離子穩(wěn)定的中性介質(zhì)中)、氧化汞電極(堿性介質(zhì))等。以上幾種電極都是電極材料和帶有特種電解液組成的半電池電極。這種電極較貴，發(fā)裝易損壞，使用不方便。還有一種固體電極，是由電極材料直接與腐蝕介質(zhì)組成的半電池，常用的是金屬和一些合金材料，如不銹鋼、碳銅、鋅、鎂等。這種固體參比電極牢固耐用，使用、安裝方便，但穩(wěn)定度、精確度都不如可逆電池。使用前，要先講行標(biāo)定。
　　國內(nèi)陰極保護多采用可逆不極化硫酸銅參比電極，用硫酸銅參比電極和恒電位儀組成自控信號源。但由于液體硫酸銅參比電極的密封性難以保證，且需要經(jīng)常添加硫酸銅溶液，冬季又容易凍結(jié)，影響了恒電位儀的連續(xù)自動控制，所以，國外也采用固體電極作恒電位儀的參比電極。如鎂電極和鋅電極。在固定環(huán)境中使用其極化值可以保證要求的精度，但使用中要有填料來保證電極電位的穩(wěn)定性。
　　長壽命埋地型硫酸銅電極由兩部分組成：電極本身與為改善電極工作環(huán)境的填包料。用這種導(dǎo)電填包料來取代便攜式液體CuSO₄電極中的飽和硫酸銅溶液，克服了溶液的滲漏問題。
　　導(dǎo)電填包料主要成分為石膏粉、硫酸鈉和膨潤土，其作用為：
　　石膏粉：微溶可塑性材料?？稍诔睗駰l件下長期保證SO^-2₄的濃度，改善了土壤環(huán)境的離子污染程度。
　　硫酸鈉：改善填料的導(dǎo)電能力，降低電阻率。
　　膨潤土：遇潮膨脹并能長期保持濕度，使電極在工作中長期和土壤結(jié)合緊密，永久維持濕潤。
　　總之，填包料隔絕了電解液滲漏的渠道，并使電極永遠處于潮濕糊狀，有利于電極的工作，其效力可達10年以上。
　　這種參比電極已在少數(shù)輸油管道進行了償試，實際壽命還有待進一步探測。長壽命埋地型參比電極，克服了液體便攜式參比電極每1個月，甚至1個星期就要加1次液，每兩年就更換1次電極的缺點。其優(yōu)點是安裝后可用幾年甚至10年再更換，節(jié)約人力物力，同時還使測量精度提高，降低IR降，也為陰極保護在無人地區(qū)的推廣使用提供了前提。
　　(三)輔助陽極地床回填料
　　焦炭碴主要成分是碳，它是輔助陽極的理想回填料。多孔且導(dǎo)電良好，用于填包高硅鑄鐵陽極、石墨陽極可避免“氣阻”，并起到加大陽極尺寸，減小陽極拉地電阻，延長陽極壽命的作用。
　　回填焦炭的顆粒度是應(yīng)用中的關(guān)鍵。顆粒太大，則呈現(xiàn)大的局部接觸電阻，導(dǎo)致不均勻的消耗；顆粒太細，對避免“氣阻”不利。有時可填加一些化合物來改善工作性能，例如加10％的熟石灰來阻止因電滲透造成的濕度損失的趨勢，有時在非常干燥的條件下可使用硫酸鈣。
　　由于使用回填焦炭把電解型導(dǎo)電轉(zhuǎn)化為電子型導(dǎo)電，使得陽極消耗由陽極主體轉(zhuǎn)到焦炭上，以生成CO和CO₂為主要反應(yīng)，大大降低了陽極體的消耗率。當(dāng)完全氧化反應(yīng)時，其焦炭的消耗為1．0kg/A·a，而實際的消耗率只有0．25kg/A·a，這主要取決于環(huán)境條件。
　　典型的焦炭回填料見表10-58中。
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表10-58 焦炭回填料特性

顆粒度(過篩)	25mm	占8%	電阻率	50Ω·cm	-
	20～25mm	占34%	化學(xué)成分	碳	>85%
	16～20mm	占39%		水分	<5%
	10～16mm	占17%		揮發(fā)性物質(zhì)	<1%
	10mm	占2%		灰分	<8%
密度	約580kg/m3	-		硫	<1%