阴极保护的基本原理
金属管道的周围环境包括土壤、水和含有水蒸气的气体，均含有一定的电解质，尤其是埋设的金属管道和水下特别是海水中的金属管道，周围环境的电解质含量更多，因此金属管道几乎都存在电化学腐蚀。除采用外防腐涂料防腐外，还要釆用阴极保护措施抑制电化学腐蚀。另外当外界有杂散电流时，例如电气化铁路、电车、以接地为回路的输电系统等直流电力系统，会使处在电解质溶液中的金属管道产生电解而腐蚀，应采取排流保护措施。
电化学腐蚀分为原电池腐蚀和电解腐蚀。原电池腐蚀系指金属在电解质溶液中形成原电池而产生的腐蚀；电解腐蚀系指外界杂散电流使电解溶液中的金属进行电解而产生的腐蚀。阴极保护的原理如图所示：
被保护的金属管道电位较低，称为阳极，辅助阳极或牺牲阳极电位更低，两者之间在电解质溶液中产生电流，使被保护的金属管道得以保护。阴极保护有两种方法，其原理相同。
外加电流阴极保护：利用直流电源，通过辅助阳极对被保护的金属管道通以恒定电流，使阴极变化，以防止腐蚀，此法为外加电流保护法，如图所示。
两种阴极保护方法的优缺点比较如表所示。
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方法 |
优点 |
缺点 |
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外加电流 阴极保护方法
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① 单站保护范围大，因此管道越长，相对投资越小 ② 动电压高，能够灵活控制阴极保护电流，可供 给较大保护电流 ③ 不受土壤电阻率的限制，在恶劣的腐蚀条件下也能使用 ④ 釆用难溶性阳极材料，可作长期的阴极保护 |
① 一次性投资费用较高 ② 需要外部电源 ③ 对邻近的地下金属结构物干扰大 ④ 维护管理较复杂 |
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牺牲阳极 保护方法 |
① 保护电流的利用率高，不会过保护 ② 适用于无电源地区和小规模分散的对象 ③ 对邻近的地下金属结构物几乎无干扰，施工技术 简单 ④ 安装及维护费用小 ⑤ 接地和防腐兼顾 |
① 驱动电压低，保护电流调节困难 ② 使用范围受土壤电阻率的限制 ③ 对于大口径裸管或防腐涂层质量不良 的管道，由于费用高，一般不宜釆用 ④ 在杂散电流干扰强烈地区，将丧失保 护作用 ⑤ 投产测试工作较复杂 |
辅助阳极材料要有良好的导电性和抗腐蚀性，常用的有碳钢、铸铁、石墨、高硅铸铁、磁性氧化铁等。 常用阳极材料性能如表所示。
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性 能 |
阳极材料 |
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碳钢 |
石墨 |
高硅铸铁 |
磁性氧化铁 |
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密度 / (kg/m3) |
7800 |
450〜1680 |
7000 |
5100—5400 |
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20℃ 电阻率/(Q•cm) |
17×10-6 |
700×10-6 |
72×10-6 |
3×10-2 |
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抗弯强度/(105Pa) |
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80 〜130 |
14 〜17 |
与高硅铸铁相似 |
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抗压强度/(105Pa) |
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140〜350 |
70 |
与高硅铸铁相似 |
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消耗率/[kg/(A-a)] |
9.1~10 |
04 〜1.3 |
0.1~1 |
0.02~0.15 |
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允许电流密度/(A/㎡) |
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5~10 |
5~80 |
100~1000 |
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利用率（%） |
50 |
66 |
50 |
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综上所述，无论釆用何种方法，都必须使产生的电流足以克服和抵消腐蚀电流，从而停止金属管道的腐蚀，受到有效 的保护。
牺牲阳极材料需要满足下述要求：
① 驱动电位大，使被保护金属管道阴极极化。
② 阳极极化率小，使电位及输出电流稳定。
③ 单位重量消耗提供电量多，单位面积输出电流大，电流效率高。
④ 价格低廉，来源广，制造简单，便于施工。
常用的牺牲阳极材料有镁基合金、铝基合金、锌基合金三大类，其基本性能如表所示。
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性能 |
纯镁、镁、镒 |
(Mg-6Al-3Zn) |
(AI-Zq-Iq) |
纯锌、锌合金 |
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密度 / (kg/m3) |
1740 |
1770 |
2830 |
7140 |
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阳极开路电位/V |
1.56 |
1.48 |
1.08 |
1.03 |
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对钢铁的有效电压/V |
0.75 |
0.85 |
0.25 |
0.2 |
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理论产生电量/ (A•kg) |
2.2 |
2.21 |
2.87 |
0.82 |
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海水中 |
消耗率/[kg/(A-a)] |
50 |
55 |
80 |
95 |
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允许电流密度/(A/㎡) |
1.1 |
1.22 |
2.2 |
0.78 |
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利用率（%） |
8 |
7.2 |
3..8 |
11.8 |
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土壤中 |
电流效率(%) |
40 |
50 |
65 |
65 |
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发生电量/ (A•kg) |
0.88 |
1.11 |
1.86 |
0.53 |
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杂散电流的腐蚀及防护
直流电对腐蚀的影响
电气化铁路、电车、以接地为回路的输电系统，都会在土壤中产生杂散电流，使地下管道产生电化学腐蚀，其腐蚀 程 度要比一般的土壤强烈得多，有杂散电流存在时，管地电位差可能高达8~9 V， 较无杂散电流的零点几伏电位差大得多，其影响可远达几十公里，必须采取防护措施。
防止杂散电流的措施
除使长输管道远离杂散电流外，如果不能远离，长输管道防止杂散电流的主要措施是排流保护，即用绝缘的金属电缆将被保护的金属管道与排流装置连接，将杂散电流引回铁轨或回归线 (负极母线)上。电缆与管道的连接点称为排流点。 排流保护可分为简单排流保护、极性排料保护、接地式排流、强制排流等，在工程设计中由电力专业设计人员确定。
由于杂散电流通过管道时电位变化幅度较大，所以地下管道采用排流保护的段落，一般都不用阴极保护。
阴极保护的抗干扰措施
当各种管道密集分布或平行铺设时，某一根管道的阴极保护设施会对其他管道产生干扰，不仅会影响被保护管道的防护效果，还会加速未防护管道的腐蚀。为防护这种干扰影响，应尽可能使未防护管道远离阴极保护设施，否则应采取下述 抗干扰措施：
① 采用绝缘法兰隔离有阴极保护的管段和无阴极保护的管段，一般在被保护管道的出站口、大型穿越障碍物的两端、杂散电流影响段，被保护管道与其他不应受到阴极保护的管道连接处应装设绝缘法兰。绝缘法兰釆用绝缘垫片，每个螺拴 都加绝缘圈和绝缘套管，使两个法兰完全绝缘。组装后要做绝缘性能试验，用 500V兆欧表摇测，其绝缘电阻大于 5MQ方 可焊到管道上。
② 采用加“均压线 ”的方法，将未保护管道与保护管道用电缆连接起来，以保持各处电位的平衡，实行联合阴极保护, 一般长输管道每隔 50m 左右设一 “均压线”。
③ 在距阳极较远有电流从管道流出的部位，安装一个牺牲阳极与管道相连，使杂散电流经牺牲阳极流入地下。
④ 交流输电线感应腐蚀的防护。
一般来说交流电引起的腐蚀比直流电小得多，大约为直流电的1 %以下。但是当高压交流输电线与管道平行架设时，由 于静电场和交变磁场的影响，对金属管道感应而产生交流电流，这时对管道的影响和危害却不能忽视，在交直流叠加的情况下，交流电的存在可引起电极表面的去极化作用，使腐蚀加速。除尽可能避免或缩短平行段的长度外，还应釆取下述措施：
① 将管道串接大电容接地，或在管道与电力系统接地之间安装接地电池。接地电池由一对或几对用绝缘块隔开的锌阳 极构成，埋在低电阻率的回填土中。
② 为防止高压电对人员的危害，在所有露出地面的金属管道附属设施处，需作接地处理，以消除静电干扰。在管道工 作人员接触有关部位，设接地栅极或接地电池，将感应的交流电引入大地，防止工作人员受电击。
③ 为防止绝缘法兰被击穿，应在法兰上安装避雷器或放电器，或将法兰两端与接地电池相连。
④ 严格遵循有关安全规程。