表10-63 锌阳极的成分
阳极系列 | 化学成分(%) | 备注 | ||||||
Al | Cd | Zn | Fe | Cu | Pb | Si | ||
ASTMⅡ型 | <0.005 | <0.003 | 余量 | <0.0014 | ASTM418-1973 | |||
Zn-Al-Cd | 0.3~0.6 | 0.05~0.12 | 余量 | <0.005 | <0.005 | <0.006 | <0.125 | GB/T4950-1985 |
Zn-Al-Cd | 0.1~0.5 | 0.025~0.15 | 余量 | <0.005 | <0.005 | 0.006 | MIL-A-18001H | |
An-Al | 0.3~0.6 | - | 余量 | <0.005 | <0.005 | <0.006 | <0.125 | SYJ20-1986 |
锌阳极的开路电位应为-1.1V(相对Cu/CuSO4),在海水中电流效率为95%、土壤中为50%~60%,理论发生电量为820A·h/kg,消耗率为11kg/A·a左右。
锌阳极的最大特点是表面不易极化,电流效率高,材料来源广,价格便宜。锌阳极的不足之处是相对铁的保护电位(-0.85V)激励电压小,只有0.25V,相当于镁阳极的1/3,因此,应用范围较窄。在土壤中使用,一般很制在ρ<150Ω·m中(GB/T 4950)。当土壤潮湿时,可扩大到ρ<30Ω·m(SYJ20—1986)。
根据使用的要求,土壤中应用的锌阳极典型规格见表10-64。
表10-64 土壤中常用的锌阳极规格尺寸
阳极尺寸/mm | 重量/kg | 有效电量/A·a | 阳极尺寸/mm | 重量/kg | 有效电量/A·a |
35×35×1000 | 6.8 | 0.6 | 50×50×1500 | 22.2 | 2.0 |
50×50×1000 | 14.8 | 1.3 | 35×35×1500 | 10.2 | 0.9 |
(三)铝合金阳极
铝合金作为牺牲阳极材料是近年发展起来的新品种。由于铝是自钝化金属,所以不论是纯铝还是铝合金,从电化学观点看,都是一种似乎不可克服的弊病,即阳极表面极易钝化,造成电位正移,活性降低。
由于铝的自饨化性能,所以钝铝不能作为牺牲阳极材料。目前已开发了Al-Zn-Hg系、Al-Zn-In系等几个系列,其典型成分见表10-65。由于汞对环境的污染及冶炼困难,目前各国都限制含汞的铝阳有生产。而AI-Zn-In系是目前各国公认的有前途的铝阳极系列。
表10-65 铝阳极的代表成分
合金系列 | 合金成分(%) | 备注 | ||||||
Zn | Hg | In | Cd | Mg | Si | Al | ||
Al-Zn-Hg | 0.45 | 0.45 | 余量 | GalValum1 | ||||
Al-Zn-In | 4.9~5.5 | 0.018~0.02 | <0.8 | 余量 | 管道设计院 | |||
Al-In | 0.15~0.2 | 余量 | 邮电部五所 | |||||
Al-Zn-In-Si | 3.0 | 0.015 | 0.1 | 余量 | Ga1ValumⅢ | |||
Al-Zn-In-Ca | 2.5~4.5 | Sn | 0.018~0.050 | 0.005~0.02 | <0.13 | 余量 | GB4948-1985 | |
Al-Zn-In-Sn | 2.2~5.2 | 0.018~0.035 | 0.02~0.045 | <0.13 | 余量 | GB4948-1985 |
为改善阳极的电化学性能,在三元素合金基础上又添加了第四、第五元素。世界上流行最广的GalValumⅢ型铝阳极为Al-Zn-In-Si系列。
铝合金牺牲阳极开路电位是-1.18~-1.10V(相对饱和甘汞电极),工作电位为-1.12~-1.05V(相对饱和甘汞电极),实际发生电量大于2400A·h/kg,海水中电流效率大于80%,消耗率约3.8kg/A·a。
铝是产量最多的有色金属,资源广,价格便宜;其单位重量产生的电量大,是锌的3.6倍,是镁的1.35倍,作为牺牲阳极有着广阔的前途。其不足之处是电流效率和溶解性能随阳极成分、制造工艺的不同而异。在土壤中常由于胶体AI(OH)3的聚集而使阳极过早报废,因此铝阳极在土壤中的应用还有待于探索。
表10-66列出了几种可用于土壤的铝合金阳极的规格尺寸。
四、牺牲阳极保护的施工
(一)阳极种类的选择
表10-66 土壤中使用的铝阳极规格
尺寸①/mm | 重量/kg | 有效电量/A·a | 尺寸①/mm | 重量/kg | 有效电量/A·a |
47×(33+47)×1000 | 5.1 | 1.4 | 41×(29+41)×2000 | 7.5 | 2.0 |
60×(40+60)×1000 | 8.1 | 2.1 | 75×(61+75)×2000 | 27.4 | 7.2 |
注:①括号内为梯形截面的上底和下底长度。
牺牲阳极种类的选择主要是根据土壤电阻率、土壤含盐类及被保护管道的覆盖层状态来选取阳极。表10-67列出了土壤中选择牺牲阳极种类的推荐意见。一般说,镁阳极适用于各种土壤环境,锌阳极适用于土壤电阻率低的潮湿环境,而铝阳极还没有统一认识,国外一直不主张用于土壤环境中,国内已有不少实践,推荐用于低电阻率、潮湿和氯化物的环境中。
表10-67 土壤中牺牲阳极使用的选择
土壤电阻率/(Ω·m) | 推荐使用的牺牲阳极 |
>100 | 不宜采用牺牲阳极 |
60~100 | 高电位的纯镁系或镁锰系镁阳极 |
15~60 | 镁铝锌锰系镁阳极 |
<15 | 镁铝锌锰系镁阳极或锌合金阳极 |
<10(含Cl-) | 锌合金或铝锌系合金阳极 |
(二)牺牲阳极地床
为了防止土壤对阳极的钝化作用,一般在阳极四周都要填有一定的化学填料,填料的作用为:
1.改良阳极周围环境,确保稳定、良好的电流效率。
2.降低阳极接地电阻,增加阳极输出电流。
3.溶解电极腐蚀产物,防止阳极极化。
4.吸收周围土壤中水分,维持阳极四周长久湿润,提高阳极的工作电位。
化学填料的推荐配方列于表10-68中。
不同的阳极、不同的适用环境需采用不同的填包料。
表10-68中的膨润土系一种特殊的硅酸盐土壤,具有强的吸水性,并能形成半透膜,阻止土壤中阴离子(在填包料中)的流失。因此,膨润土不可用粘土来代替。