高佳偉,邢琳琳,唐德志,杜艷霞,尹志彪

(1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083; 2. 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011)

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犧牲陽(yáng)極截面形狀對(duì)其服役性能的影響

高佳偉1,邢琳琳2,唐德志1,杜艷霞1,尹志彪2

(1. 北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083; 2. 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011)

采用理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長(zhǎng)方形六種不同截面形狀對(duì)犧牲陽(yáng)極服役性能的影響。結(jié)果表明，陽(yáng)極截面為長(zhǎng)方形時(shí)提供的陰保電流最大，同時(shí)自身的電流密度最小?；诖?，研究了長(zhǎng)寬比(k)對(duì)截面形狀為長(zhǎng)方形的陽(yáng)極服役性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，犧牲陽(yáng)極提供的陰保電流隨著k的增大而增大，但陽(yáng)極自身的腐蝕速率隨著k的增大先減小后增大，并在k=4.1時(shí)獲得最小值。

犧牲陽(yáng)極；理論計(jì)算；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；截面形狀；電化學(xué)性能

陰極保護(hù)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的防腐蝕技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于埋地金屬管道及海底金屬管道中[1-6]。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)是一種常用的陰極保護(hù)方法，特別是在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)及海洋環(huán)境中應(yīng)用尤為廣泛。常用的犧牲陽(yáng)極材料有鎂合金、鋁合金以及鋅合金。通常鎂合金犧牲陽(yáng)極用于土壤環(huán)境中[7-9]，鋅合金用于低電阻率的土壤或者海洋環(huán)境中；鋁合金犧牲陽(yáng)極一般用于海洋環(huán)境中[10]。

根據(jù)不同的用途，犧牲陽(yáng)極有不同的形狀和尺寸。為增加陽(yáng)極表面積，陽(yáng)極截面通常為梯型和D型。土壤和海洋中常采用梯型，梯型截面兼顧了較大的表面發(fā)散電流能力和通過設(shè)計(jì)獲得較長(zhǎng)使用壽命的表面積/質(zhì)量比率的條件[11-14]。為減少船在水中的阻力，陽(yáng)極有時(shí)要做成流線型；為增加單位質(zhì)量陽(yáng)極的輸出，適應(yīng)高電阻率環(huán)境，還可制作成線型。

然而，目前為止，人們對(duì)犧牲陽(yáng)極形狀的研究較少，目前的陽(yáng)極形狀大部分都是從用途方面考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)的，很少考慮到形狀對(duì)犧牲陽(yáng)極服役性能的影響，從而造成犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)的不合理，如低效率高浪費(fèi)等問題。為了給犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)，本工作利用理論計(jì)算和模擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了不同截面形狀及不同長(zhǎng)寬比對(duì)犧牲陽(yáng)極服役性能的影響規(guī)律。

1 理論計(jì)算

1.1 理論分析

假設(shè)陽(yáng)極截面周長(zhǎng)為C，則其等效直徑d：

(1)

陽(yáng)極的接地電阻：

(2)

式中：ρ為土壤電阻率；l為犧牲陽(yáng)極長(zhǎng)度;t為犧牲陽(yáng)極的埋深。

假設(shè)管道接地電阻為Rp-g,電纜電阻為Rc,那么整個(gè)犧牲陽(yáng)極陰?；芈返目傠娮铻镽all：

(3)

犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流i：

(4)

通常情況下，由于管道的接地電阻Rp-g?Ra-g,且Rc?Ra-g，所以:

(5)

式中:d為犧牲陽(yáng)極的等效直徑。

將公式(1)代入公式(5)可得：

(6)

從公式(6)可以看出，犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流i與其截面的周長(zhǎng)C成正比例關(guān)系。陽(yáng)極截面周長(zhǎng)越大，其輸出的陰保電流也越大。因此，為了獲得較大的陰保電流，就需要通過截面形狀的設(shè)計(jì)使得犧牲陽(yáng)極截面具有最大的周長(zhǎng)。

假設(shè)陽(yáng)極的表面積為S，則：

(7)

從陽(yáng)極表面流出的電流密度J：

(8)

根據(jù)法拉第定律，陽(yáng)極的腐蝕速率vcorr：

(9)

式中：M為摩爾當(dāng)量；n為溶解金屬的原子價(jià)數(shù)；F為法拉第常數(shù)。

由式(6)～(9)可得，陽(yáng)極的腐蝕速率vcorr:

(10)

由公式(10)可知，陽(yáng)極的腐蝕速率與其截面周長(zhǎng)密切相關(guān)，而陽(yáng)極的服役壽命與其腐蝕速率成反比例關(guān)系，故而陽(yáng)極截面周長(zhǎng)對(duì)其服役壽命有非常重要的影響。

1.2 案例計(jì)算

1.2.1 截面形狀對(duì)犧牲陽(yáng)極輸出電流和服役壽命的影響

目前常用的犧牲陽(yáng)極截面形狀主要有D形和梯形兩種。為了探討截面形狀對(duì)犧牲陽(yáng)極輸出電流及服役壽命的影響規(guī)律，本工作選取了D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長(zhǎng)方形六種不同的截面形狀進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，具體情況如下。

(1) 參數(shù)的設(shè)置 選取的陽(yáng)極長(zhǎng)度l=70 cm，截面面積S=115 cm2。然后保持陽(yáng)極的截面面積為115 cm2不變進(jìn)行截面形狀尺寸的確定。由于D形和梯形是目前犧牲陽(yáng)極常用的兩種截面形狀，所以這兩種截面的尺寸參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0019-1997埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行等比例放大或縮小。最終選取的陽(yáng)極截面形狀尺寸如圖1所示。此外陽(yáng)極埋深1 m且水平鋪設(shè)。由于常見的土壤電阻率在20 ～100 Ω·m，最終選取土壤電阻率為50 Ω·m。選取的陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)電壓為-0.650 V。

圖1 不同截面形狀的尺寸(單位:cm)Fig. 1 Sizes of different cross-sectional shapes

(2) 計(jì)算結(jié)果及分析 根據(jù)圖1所示各截面形狀的尺寸，得到了不同截面形狀的周長(zhǎng)C，如表1所示。

表1 不同截面形狀的周長(zhǎng)

圖2為不同截面形狀陽(yáng)極輸出的陰保電流。由圖2可見，D形截面陽(yáng)極的輸出電流最小，為40.802 mA，圓形截面陽(yáng)極輸出的電流其次，為40.874 mA，而正六邊形與正方形截面陽(yáng)極輸出的電流較大，分別為42.340 mA和44.730 mA，長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極輸出的電流最大，高達(dá)56.518 mA。這是因?yàn)樵谒薪孛嬷?，長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極的截面周長(zhǎng)最大，為56 cm。

圖2 截面形狀對(duì)陽(yáng)極輸出電流的影響Fig. 2 The effect of cross-sectional shape on the anode output current

圖3為不同截面陽(yáng)極輸出的電流密度。由圖3可見，與輸出電流的變化規(guī)律相反，D形截面和圓形截面輸出電流密度最大，分別為1.537 mA/cm2和1.536 mA/cm2，正六邊形截面輸出電流密度其次，為1.516 mA/cm2，正方形和梯形截面陽(yáng)極輸出的電流密度分別為1.490 mA/cm2和1.489 mA/cm2，長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極輸出的電流密度最小，為1.442 mA/cm2。所以，在D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長(zhǎng)方形六種不同截面形狀的陽(yáng)極中，長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極的服役壽命最長(zhǎng)，且其輸出的陰保電流最大。

圖3 不同截面陽(yáng)極輸出的電流密度Fig. 3 The current density of different cross-sectional shape

1.2.2 長(zhǎng)寬比對(duì)犧牲陽(yáng)極輸出電流和服役壽命的影響

從前面的計(jì)算結(jié)果可知，在六種不同截面形狀的犧牲陽(yáng)極中，長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極輸出的陰保電流最大，服役壽命最長(zhǎng)。為了對(duì)犧牲陽(yáng)極的截面形狀進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，考查了長(zhǎng)寬比(k)對(duì)長(zhǎng)方形截面犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流及服役壽命的影響。

選取的陽(yáng)極長(zhǎng)度仍然為70 cm，截面面積S=115 cm2，選擇不同長(zhǎng)寬比。此外陽(yáng)極埋深仍然為1 m且水平鋪設(shè)。土壤電阻率為50 Ω·m，陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)電壓為-0.65 V。

表2是不同長(zhǎng)寬比下陽(yáng)極截面的周長(zhǎng)。圖4為不同長(zhǎng)寬比下長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極輸出的陰保電流。由圖4可見，隨著長(zhǎng)寬比的逐漸增大，犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流逐漸增加。當(dāng)長(zhǎng)寬比為1時(shí)，輸出的陰保電流為44.730 mA左右，當(dāng)長(zhǎng)寬比增大至4時(shí)，陽(yáng)極輸出的電流增大至54.244 mA左右；當(dāng)長(zhǎng)寬比進(jìn)一步增大至5時(shí)，陽(yáng)極輸出的陰保電流升高至58.172 mA；當(dāng)長(zhǎng)寬比達(dá)到8時(shí)，陽(yáng)極輸出的陰保電流達(dá)到了70.306 mA。

表2 不同長(zhǎng)寬比下陽(yáng)極的截面周長(zhǎng)

圖4 不同長(zhǎng)寬比的長(zhǎng)方形截面犧牲陽(yáng)極輸出的電流Fig. 4 The anode output current of different aspect ratio

圖5為不同長(zhǎng)寬比(k)下長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極輸出的電流密度。由圖5可見，與輸出電流的變化不同，犧牲陽(yáng)極輸出的電流密度隨著長(zhǎng)寬比的增大先減小后增大，并在k=4.1時(shí)達(dá)到最小值1.361 mA/cm2。當(dāng)k超過4.1時(shí)，犧牲陽(yáng)極輸出的電流密度逐漸增大。因此，當(dāng)長(zhǎng)寬比k=4.1時(shí)，犧牲陽(yáng)極的服役壽命最長(zhǎng)，同時(shí)輸出的陰保電流最大。

圖5 不同長(zhǎng)寬比的長(zhǎng)方形截面犧牲陽(yáng)極輸出的電流密度Fig. 5 The current density of different aspect ratio

從以上的分析可以看出，犧牲陽(yáng)極截面為長(zhǎng)方形時(shí)輸出的陰保電流最大，同時(shí)自身的服役壽命最長(zhǎng)；并且當(dāng)陽(yáng)極截面的長(zhǎng)寬比為4.1時(shí)，陽(yáng)極能獲得最大的電流發(fā)生能力同時(shí)具有較長(zhǎng)的服役壽命。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述結(jié)論的有效性，在現(xiàn)場(chǎng)搭建了模擬試驗(yàn)，如圖6所示。模擬試驗(yàn)由一條瀝青涂層的管道、一個(gè)電阻(0.1 Ω，10 W)以及AZ63鎂合金犧牲陽(yáng)極組成。陽(yáng)極的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：Al 5.824，Zn 2.905，Mn 0.282，Si 0.026，F(xiàn)e 0.002，Cu 0.002，余量為鎂；開路電位-1.55 V(CSE，下同)；電容量1.24 A·h·g-1；電流效率56.52%。犧牲陽(yáng)極截面形狀為D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長(zhǎng)方形六種形狀，長(zhǎng)方形截面的長(zhǎng)寬比為1、2、4、6和8，犧牲陽(yáng)極的尺寸為理論計(jì)算中犧牲陽(yáng)極尺寸的0.1倍，埋深0.100 m，電阻率為29.500 Ω·m，管道接地電阻為6.800 Ω。在試驗(yàn)開始前鎂陽(yáng)極和管道先穩(wěn)定10 min，測(cè)得管道的開路電位為-0.540 V，陽(yáng)極開路電位均在-1.490 V左右，然后通過電阻R進(jìn)行連接，鎂陽(yáng)極向管道提供陰極保護(hù)。待系統(tǒng)穩(wěn)定1 h后，測(cè)量電阻R兩端的直流電壓來(lái)確定鎂陽(yáng)極輸出的陰保電流，從而確定鎂陽(yáng)極輸出的電流密度，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖7～9所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)俯視圖Fig. 6 A top view of the field test

圖7 不同截面形狀陽(yáng)極輸出的陰保電流-現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 The anode output current of different cross-sectional shape-the field test results

圖8 不同截面形狀陽(yáng)極輸出的電流密度-現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 The current density of different cross-sectional shape-the field test results

圖9 不同長(zhǎng)寬比的長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極輸出的陰保電流-現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Fig. 9 The anode output current of different aspect ratio-the field test results

圖7為不同截面形狀陽(yáng)極輸出的陰保電流。與

理論計(jì)算結(jié)果相似，D形截面陽(yáng)極輸出的陰保電流最低4.870 mA；圓形截面陽(yáng)極輸出的陰保電流其次；而正六邊形和梯形截面陽(yáng)極輸出的陰保電流較大；長(zhǎng)方形截面犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流最大，高達(dá)6.120 mA。變化趨勢(shì)與2.2.1中理論計(jì)算結(jié)果完全相符。

圖8為不同截面形狀陽(yáng)極輸出的陰保電流密度的變化。可以清楚地看出，D形和圓形截面陽(yáng)極輸出的陰保電流密度最大，為0.183 mA/cm2，正六邊形截面陽(yáng)極輸出電流密度其次，梯形截面陽(yáng)極輸出的電流密度為0.176 mA/cm2，長(zhǎng)方形截面陽(yáng)極輸出的電流密度最小，為0.156 mA/cm2，這與2.1中理論計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)完全吻合。

圖9為截面形狀均為長(zhǎng)方形時(shí)長(zhǎng)寬比對(duì)犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流及陰保電流密度的影響?？梢郧宄乜闯?，隨著長(zhǎng)寬比k的增大，鎂合金犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流逐漸增加。當(dāng)k增大到8時(shí)，測(cè)得的陰保電流增加到11.500 mA，這與2.2中理論計(jì)算的結(jié)果變化規(guī)律相符。此外，陰保電流密度隨長(zhǎng)寬比的變化規(guī)律與圖5中計(jì)算結(jié)果相似，隨著長(zhǎng)寬比的增大先降低后而增大，并在k=4時(shí)取得最小值0.201 mA/cm2。

3 結(jié)論

(1) 通過理論計(jì)算對(duì)比D形、圓形、正六邊行、正方形、梯形以及長(zhǎng)方形六種不同截面形狀對(duì)犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流和服役壽命的影響，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)方形截面犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流最大，同時(shí)具有較長(zhǎng)的服役壽命。

(2) 通過理論計(jì)算研究了長(zhǎng)寬比對(duì)長(zhǎng)方形截面犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流和服役壽命的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)長(zhǎng)寬比為4.1時(shí)，犧牲陽(yáng)極輸出的陰保電流最大，同時(shí)具有較長(zhǎng)的服役壽命。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算規(guī)律能夠很好地吻合，表明該理論計(jì)算結(jié)果有很強(qiáng)的適用性，可以進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及推廣。

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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?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目《運(yùn)行10年以上犧牲陽(yáng)極服役行為和剩余壽命預(yù)測(cè)研究》

杜艷霞(1980-),副教授,博士,從事金屬材料的腐蝕與防護(hù)研究,010-62333972,duyanxia@ustb.edu.cn

TG172

A

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