牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护这两大种类
牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护这两大种类
阴极保护是防止金属结构在电解质环境中发生腐蚀的重要技术手段，主要包括牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两大类。本文将从原理、材料、优缺点等多个维度，详细介绍这两种保护方法的特点和应用。
牺牲阳极阴极保护
原理
牺牲阳极阴极保护是基于电化学腐蚀原理。在电解质（如土壤、海水等）存在的环境中，将电位更负的金属（牺牲阳极）与被保护的金属结构（如管道、储罐等）连接。由于不同金属在电解质中的电位不同，电位更负的金属（牺牲阳极）会优先失去电子而被腐蚀。例如，在海水中，锌的电位比铁更负，当锌（牺牲阳极）与铁（被保护金属）连接时，锌会发生氧化反应，释放出的电子通过金属导体流向被保护的铁结构，使铁结构表面的电子富集，其电位降低，从而成为阴极，抑制了铁自身的腐蚀反应。
牺牲阳极材料
镁合金：镁合金牺牲阳极的电位很负，驱动电压高，适用于电阻率较高的土壤、淡水等环境。其理论电容量大，但实际电流效率相对较低，因为镁合金在腐蚀过程中会发生自溶等现象。例如，在沙漠地区的埋地管道保护中，由于土壤电阻率高，镁合金牺牲阳极能够提供足够的驱动电压来实现阴极保护。
锌合金：锌合金牺牲阳极的电位适中，电流效率较高，在海水中和土壤电阻率较低的环境应用广泛。其自腐蚀小，性能稳定。比如在沿海地区的码头钢桩、海水管道等的阴极保护中，锌合金牺牲阳极是常用的材料。
铝合金：铝合金牺牲阳极在特定环境下（如低盐度海水、部分土壤环境）有很好的应用。它的电位较负，电容量大，在合适的介质中能够有效工作。不过，铝合金牺牲阳极的性能受合金成分和环境因素影响较大，需要根据具体情况选择合适的铝合金种类。
优点
不需要外部电源，安装简单方便，尤其适用于一些没有电源供应的偏远地区或小型金属结构的保护。例如，在一些山区的小型储水罐的阴极保护，采用牺牲阳极法，无需复杂的电源设备和布线，就能实现较好的保护效果。
对被保护金属结构的干扰小，不会产生杂散电流等问题，保护电流分布相对比较均匀，对局部的过保护风险较低。
系统维护相对简单，主要是定期检查牺牲阳极的消耗情况，更换消耗殆尽的阳极即可。
缺点
牺牲阳极的消耗速度相对较快，需要定期更换，这增加了维护成本和工作量。例如，在高腐蚀性环境中的牺牲阳极可能几年就需要更换一次。
提供的保护电流有限，对于大型的金属结构（如大型长距离输油管道、大型石油储罐群等）或者高电阻率环境下的金属结构，可能无法提供足够的保护电流。
外加电流阴极保护
原理
外加电流阴极保护通过外部的直流电源，将电源的负极连接到被保护的金属结构上，使其成为阴极，电源的正极连接到辅助阳极。在电解质环境中，当电源开启时，电流从辅助阳极流出，经过电解质溶液，到达被保护的金属结构。例如，对于埋地管道，电流通过土壤传导到管道表面，使管道表面极化，电位降低到阴极保护电位范围，抑制管道金属的腐蚀反应。其原理可以简单表示为在电源作用下，辅助阳极发生氧化反应，电子通过电源和导线转移到被保护金属，使其成为阴极而受到保护。
辅助阳极材料和阳极地床形式
辅助阳极材料
高硅铸铁阳极：这种阳极材料具有较高的耐腐蚀性和良好的导电性，适用于多种土壤环境。不过，它的消耗率相对较高，在高电阻率土壤中使用时可能需要较大的电流输出才能保证保护效果。
石墨阳极：石墨阳极导电性较好，价格相对较低。但是其机械强度较低，在使用过程中容易损坏，并且在某些强腐蚀性环境下的耐腐蚀性不如其他阳极材料。
贵金属氧化物阳极：如钛基贵金属氧化物阳极，它具有极低的消耗率、高导电性和良好的耐腐蚀性，能够在恶劣的环境（如高盐度海水、高电阻率土壤等）中有效工作。不过，其成本较高，主要用于对保护要求较高、环境条件苛刻的场合。
阳极地床形式
浅埋阳极地床：一般将阳极埋设在地下 1 - 5 米深处，适用于土壤电阻率较低且场地开阔的区域。这种地床形式施工相对简单，成本较低。
深井阳极地床：阳极井深度可达数十米甚至上百米，适用于高电阻率土壤或周围环境受限的情况。它可以有效降低接地电阻，提高保护电流的输出效率，但施工难度和成本较高。
分布式阳极地床：将多个小型阳极分散布置在保护对象周围，适用于对保护电流分布均匀性要求较高或空间分布复杂的结构，能够更好地适应不规则形状的金属结构或局部保护需求。
优点
可以根据被保护金属结构的大小、形状、环境等因素，灵活调节保护电流的大小和分布，能够为大型金属结构（如长距离管道、大型储罐群等）提供足够的保护电流。例如，一条数千公里的长输油管道，通过外加电流阴极保护系统可以精确控制不同地段的保护电流，适应不同土壤环境的保护需求。
保护效果好，只要合理设计和维护，能够将被保护金属的电位精确控制在阴极保护电位范围内，有效抑制腐蚀，延长金属结构的使用寿命。
缺点
需要外部电源，这增加了系统的复杂性和运行成本。同时，电源设备需要定期维护，如检查电源输出、更换电池等。
系统较为复杂，包括电源设备、阳极地床、参比电极、电缆等多个部件，安装和调试要求较高。并且可能会对周围金属结构产生干扰，产生杂散电流，引发其他金属结构的腐蚀问题。