二、辅助阳极地床

　　辅助阳极是在阴极保护装置中，将保护电流从外加直流电源引入土壤中的导电体，外加电流通过辅助阳极输送到埋地的被保护金属管道的表面，金属体阴极极化。
　　(一)辅助阳极
　　强制电流用辅助阳极多选用电子型导体材料。选用辅助阳极主要应考虑成本、电化学性能和机械性能等因素。这些因素是相互关联的。具
 

图10-36 太阳能阴极保护系统
1—太阳能电池方阵 2—充电控制器　3—蓄电池组 4—阴极保护控制装置　5—连接电缆

　　体材料的选择不只是涉及到总费用，而且还必须考虑阴极保护系统的初期费用和被保护设备及阴极保护装置在设计寿命期间的维护、运行及更新费用。
　　适合作辅助阳极材料的导电体应具备以下条件：
　　1.具有良好的导是性能，能通过较大的电流量，极化小。
　　2.与土壤或地下水接触时具有稳定的接触电阻。
　　3.化学稳定性好，阳极本身的消耗低。
　　4.机械性能了，便于加工和安装。
　　5.来源广、价格低廉。
　　辅助阳极材料分为如下几大类：
　　稀有金属在：以铂为主，其基材可分为钽、钛、铌等。
　　黑色金属类：以废钢铁、高硅铸铁为主要代表。
　　铅系材料：以铅银合金、铅铂为主要代表。
　　碳素材料：以石墨为主要代表。
　　有色金属材料：以铝、锌为主、也可当作辅助阳极用。
　　另外还有复合式阳极。
　　在土壤和淡水中，应用最多是废钢铁、石墨及高硅铸铁材料。
　　废钢铁是用于强制电流辅助阳极最早的阳极材料。其优点是来源广，价格便宜，常使用报废的旧装置；其缺点是消耗率高，可达9～10kg/A·a。钢铁阳极的工作电流密度不必限制，在运行时以铁的电解腐蚀为主要阳极反应，所以在电极上析出气体很少，没有“气阻”问题。
　　高硅铸铁材料问世于1912年，长期以来作为化学工业的耐蚀材料应用。其主要成分为：14％Si，0．7％Mn，0．95％C，余量为铁。在阳极条件下工作的硅铸铁，表面生成二氧化硅膜，渗透性很好，是良好的电子导体。但高硅铸铁耐卤素的性能很差，所以它的使用应限制在含C1-小于万分之二的环境中。为了改善耐C1-的能力，可在高硅铸铁中添加1％～3%的铬，称之为高硅铬铁。自1959年以来，它已广泛应用于海水或含氯化物的土壤环境中。其典型成分为：14．4％Si，0．7GMn，1.0%C，4.25%Cr，余量为铁。高硅铸铁在应用中，应注意“气阻”和搬运中的脆断。
　　高硅铸铁阳极一般为圆柱形，可使阳极的腐蚀均匀。它又有空心与实心之分，空心阳极的利用率比较高。
　　对阳极引出线有限制的原因，是为了减小接线的电阻。因此也对引出导线的截面有16mm2的要求，以便在阴极保护进行中，使电能的消耗大部分用于被保护金属的防护。根据规范，阳极引出线的接触电阻应小于0.01Ω，其拉脱力值应大于阳极自身重量的1．5倍。接头应密封可靠，阳极表面应无明显的缺陷。
　　高硅铸铁阳极使用性能与常用规格见表10-53和表10-54。
 

表10-53 高硅铸铁阳极使用性能

种类	允许电流密度/(A/m2)	消耗率/(kg/A·a)	使用环境
高硅铸铁阳极	50～80	<0.5	土壤、淡水
高硅铬铁阳极	50～80	<0.5	含氯离子土壤、海水

表10-54 常用高硅铸铁阳极规格

序号	阳极规格		阳极引出线规格		参考质量/kg
	直径/mm	长度/mm	截面积/mm2	长度/mm
1	50	1500	16	>1000	22
2	75	1500	16	>1000	35
3	100	1500	16	>1000	80

　　石墨阳极是公认的耐蚀材料，也是微溶性材料。尤其是耐氯性能好，因此可应用于海水和含氯化物的土壤中。但由于它质脆。安装不方便，在使用上颇受限制。近年来多用树脂浸渍石墨以增强其机械性能，这种石墨称为不透性石墨。但不透性石墨电阻较大，阳极表面电流分布不均匀，在电流集中处易断裂。
　　我国在地下电缆和长输管道的防护中，均使用了石墨阳极。石墨阳极在加拿大、美国等应用较广泛。从1927年使用起，至今已有较长的历史。
　　石墨阳极的石墨化程度应大于或等于81％、灰分应小于0.5%。石墨阳极宜经亚麻油或石蜡浸渍处理。石墨阳极的主要性能指标见表10-55，常用规格见表10-56。
　　石墨阳极的阳极引出线接触电阻应小于0．01Ω，拉脱力数值应大于阳极自身重量的1．5倍。且接头应密封可靠。
 

表10-55 石墨阳极的主要性能

密度/(g/cm3)	电阻率/(Ω·mm2/m)	气孔率(%)	消耗率/(kg/A·a)	允许电流密度/(A/m2)
1.7～2.2	9.5～11.0	25～30	<0.6	5～10

表10-56 常用石墨阳极规格

序号	阳极规格		阳极引出线规格		参考质量/kg
	直径/mm	长度/mm	截面积/mm2	长度/mm
1	75	1000	16	>1000	10
2	100	1450	16	>1000	23
3	150	1450	16	>1000	51

　　为提高耐蚀性，可用树脂浸渍。用亚麻油浸渍则可降低气孔，抑制可能引卢的阳极胀裂或过早失效、表面气体的析出及碳的氧化。浸渍后的阳极寿命可延长约 50％。
　　石墨阳极不能在有氧浸入、呈酸性和硫酸盐离子较高的地方长期使用。如厍拿大萨斯喀温省东南，20年期间已有数百个阳极地床被损坏，经过土壤分析确认，是硫酸盐的浸蚀性所致，使阳极使用的寿命仅为2～3年。
　　磁性氧化铁阳极是20世纪70年代发展起来的一种新型难溶性阳极材料。主要是用磁铁矿和铁氧体经高温烧结制成磁性氧化铁粉末。再采用专门的铸造技术，将磁性氧化铁粉末铸成中空有底的圆柱阳极。
　　磁性氧化铁具有消耗低、使用寿命长、受温度变化影响小的优点。
　　磁性氧化铁的主要成分(质量分数)是：Fe₃O₄92％～93％(FeO约占30%，Fe₂O约占 62％～63％)，SiO₂4％～6％。CaO、MgO、Al₂O₃分别占0.1%～1%。
　　为了在整个阳极表面得到尽量均匀的电流密度，整个内表面镀一层铜。
　　阳极长度约800mm，外径60mm，壁厚5～10mm。磁性氧化铁阳极的电阻率很低，反允许通过的电流密度约20～50A/h·m²，消耗率为0.02～0.15kg/A·a。其机械性能与高硅铁相似，也具有硬、脆的特点。在日本、加拿大、瑞典都有应用。特别是适用于土壤中，也可用于海水和淡水中。因此，被认为是今后外加电流阴极保护中最具前途的阳极材料。
　　常用的阳极材料特性见表10-57。
 

表10-57 辅助阳极材料及性能

阳极材料	主要成分	消耗率/(kg/A·a)	允许电流密度(A/m2)
高硅铸铁	Si14.5%,Dr4.5%	0.1～1.0	5～80
石墨	C	0.4～1.3	5～10
磁性氧化铁	Fe3O4	0.003～0.008	100～1000
钢铁	Fe	9.1～1.0

　　上述阳极材料是在阴极保护中技术成熟、使用普遍的辅助阳极材料，在我国也广泛应用(除磁性氧化铁外)。各国均根据本国资源及技术条件来选用阳极材料。如在海水中金属构筑物的防护，美国过去用石墨阳极，后来用镀铂钛阳极，近年来开始采用铂钯合金阳极；英国采用镀铂钛、铅银合金，近年来在试验镀铂钽；日本则采用铅银合金和铅铂复合电极。
　　(二)参比电极
　　阴极保护中经常需要测量和控制设备的电位，使其处于保护电位之内。要测量电位，就需要一个已知电位的相对标准的电极，将待测电位与之比较。这种电极称为参比电极，即参比电极是一种电位恒定的基准电极。在测量中，用这个电极的电位差来表示被测物的电位值。参比电极除电位稳定外，还应具有易于制作、便于携带、电位精确、重复性好、测量方便、寿命较长及价格便宜的特点。
　　在阴极保护中常选择可逆电极来做参比。如甘汞电极(中性介质中)、硫酸电极(土壤、中性介质)、氯化银电极(海水、氯离子稳定的中性介质中)、氧化汞电极(碱性介质)等。以上几种电极都是电极材料和带有特种电解液组成的半电池电极。这种电极较贵，发装易损坏，使用不方便。还有一种固体电极，是由电极材料直接与腐蚀介质组成的半电池，常用的是金属和一些合金材料，如不锈钢、碳铜、锌、镁等。这种固体参比电极牢固耐用，使用、安装方便，但稳定度、精确度都不如可逆电池。使用前，要先讲行标定。
　　国内阴极保护多采用可逆不极化硫酸铜参比电极，用硫酸铜参比电极和恒电位仪组成自控信号源。但由于液体硫酸铜参比电极的密封性难以保证，且需要经常添加硫酸铜溶液，冬季又容易冻结，影响了恒电位仪的连续自动控制，所以，国外也采用固体电极作恒电位仪的参比电极。如镁电极和锌电极。在固定环境中使用其极化值可以保证要求的精度，但使用中要有填料来保证电极电位的稳定性。
　　长寿命埋地型硫酸铜电极由两部分组成：电极本身与为改善电极工作环境的填包料。用这种导电填包料来取代便携式液体CuSO₄电极中的饱和硫酸铜溶液，克服了溶液的渗漏问题。
　　导电填包料主要成分为石膏粉、硫酸钠和膨润土，其作用为：
　　石膏粉：微溶可塑性材料。可在潮湿条件下长期保证SO^-2₄的浓度，改善了土壤环境的离子污染程度。
　　硫酸钠：改善填料的导电能力，降低电阻率。
　　膨润土：遇潮膨胀并能长期保持湿度，使电极在工作中长期和土壤结合紧密，永久维持湿润。
　　总之，填包料隔绝了电解液渗漏的渠道，并使电极永远处于潮湿糊状，有利于电极的工作，其效力可达10年以上。
　　这种参比电极已在少数输油管道进行了偿试，实际寿命还有待进一步探测。长寿命埋地型参比电极，克服了液体便携式参比电极每1个月，甚至1个星期就要加1次液，每两年就更换1次电极的缺点。其优点是安装后可用几年甚至10年再更换，节约人力物力，同时还使测量精度提高，降低IR降，也为阴极保护在无人地区的推广使用提供了前提。
　　(三)辅助阳极地床回填料
　　焦炭碴主要成分是碳，它是辅助阳极的理想回填料。多孔且导电良好，用于填包高硅铸铁阳极、石墨阳极可避免“气阻”，并起到加大阳极尺寸，减小阳极拉地电阻，延长阳极寿命的作用。
　　回填焦炭的颗粒度是应用中的关键。颗粒太大，则呈现大的局部接触电阻，导致不均匀的消耗；颗粒太细，对避免“气阻”不利。有时可填加一些化合物来改善工作性能，例如加10％的熟石灰来阻止因电渗透造成的湿度损失的趋势，有时在非常干燥的条件下可使用硫酸钙。
　　由于使用回填焦炭把电解型导电转化为电子型导电，使得阳极消耗由阳极主体转到焦炭上，以生成CO和CO₂为主要反应，大大降低了阳极体的消耗率。当完全氧化反应时，其焦炭的消耗为1．0kg/A·a，而实际的消耗率只有0．25kg/A·a，这主要取决于环境条件。
　　典型的焦炭回填料见表10-58中。
 

表10-58 焦炭回填料特性

颗粒度(过筛)	25mm	占8%	电阻率	50Ω·cm	-
	20～25mm	占34%	化学成分	碳	>85%
	16～20mm	占39%		水分	<5%
	10～16mm	占17%		挥发性物质	<1%
	10mm	占2%		灰分	<8%
密度	约580kg/m3	-		硫	<1%