CN100414000C - 分布式金属氧化物柔性阳极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式金属氧化物柔性阳极，由主阳极电缆、管状阳极体和碳质填料包所构成。沿着主阳极电缆每隔一定距离串接一只管状阳极体，管状阳极体之间的间距可根据实际需要进行调节，管状阳极体的材料为钛基混合金属氧化物，在阳极体的周围采用碳质填料包以降低阳极地床的接地电阻。该分布式金属氧化物柔性阳极具有较大的排流量和工作电流密度，良好的电化学性能和长的使用寿命，易于安装，并能长期可靠地工作，适用于防止地下管道，尤其是涂层破损的老旧管线以及储罐罐底等金属结构物的电化学腐蚀。
Description
技术领域：
本发明涉及一种分布式金属氧化物柔性阳极，适用于外加电流阴极保护系统，用于防止埋地管道等金属结构物的电化学腐蚀，属电化学保护技术领域。
技术背景：
土壤是一种腐蚀性介质，腐蚀会缩短结构物的使用寿命，增加维护维修的费用，造成停工停产损失，甚至会造成安全或环保事故。因此，埋地管道等金属结构物必须采取有效的防护措施以解决介质的腐蚀问题。涂料是解决管道腐蚀的主要手段之一，其作用是将金属表面和环境介质隔离开来。然而，涂料总是不可避免地存在缺陷以及老化等问题，腐蚀往往在这些涂层缺陷处优先发展，导致腐蚀穿孔。由于埋地管道等金属结构物遭受的是电化学腐蚀，因此，阴极保护技术作为重要的防腐手段，和涂料相结合，已被广泛地用于保护地下管道等金属结构物。它是通过向被保护的结构物提供阴极电流，使其产生足够的阴极极化，从而使金属表面的腐蚀得到有效的抑制。涂料和阴极保护相互配合，起着相辅相成的作用。一方面，阴极保护可以有效地防止涂层破损处产生电化学腐蚀；另一方面，涂层可减少阴极保护电流的需要量，降低阴极保护的费用，并使保护范围增大，保护电流分布更均匀。依据提供保护电流的方式不同，阴极保护可以分为牺牲阳极和外加电流两种方法。牺牲阳极是通过电负性的阳极材料自身的溶解消耗来产生阴极保护电流；而外加电流阴极保护方法是通过外部的直流电源来提供所需的保护电流，其特点是驱动电压高、输出电流大、保护寿命长，并且可随外界工况条件的变化而自动调节输出电流的大小，使被保护的金属结构物一直处于最佳的保护状态。因此，对于需要保护电流比较大或保护寿命要求比较长的金属结构物，通常均采用外加电流阴极保护。
外加电流阴极保护系统通常由电源设备、辅助阳极和参比电极等所组成。辅助阳极是外加电流阴极保护系统中的重要组成部分，其作用是将电源设备提供的保护电流经由介质传递到被保护的金属结构物的表面。对于涂层质量完好的新管线，由于保护电流需要量相对较小，电位容易获得均匀分布，为方便施工，通常往往采用集中布置的辅助阳极地床进行保护。例如，对数十公里长的地下管线，可在合适的地方设置一个浅埋或深井辅助阳极地床就可以对整个管道进行有效的保护。然而，对于老旧管线，由于涂层破损严重，并且破损部位分布不均匀，或者有的位置存在其它金属结构物产生干扰，局部需要更多的保护电流时，采用前述集中布置的阳极地床则难以使整个管线获得良好的保护效果，有可能在某些部位已达到过保护，而某些部位则仍处于欠保护状态。
为解决这一问题，一种有效的方法是在管线的沿途布设更多的分散的阳极地床，然而，对于长距离的地下管线来说，这种方法会大大增加阴极保护工程的工作量和费用。文献(1.William F.Gibson and Joseph L.Pikas，Conductivepolymeric cable anodes for pipelines with deteriorating coatings，MaterialsPerformance，1993，No.3，24-29 2.William F.Marshall，David D.Smith，andJames F.Warner，Advantages of continuous impressed current anodes in highresistivity soil environments，Materials Performance，1998，No.6，18-23)推荐采用导电聚合物电缆柔性阳极来保护涂层破损的老旧管线。该方法将电缆柔性阳极沿整个管线布设，埋在管道附近的沟槽内，并在阳极周围填充碳质填料，形成连续的阳极地床。由于管线所有的部位均可获得保护电流，该方法可对整个管线提供较为均匀的保护。该导电聚合物电缆柔性阳极采用铜芯作电的传输导体，在其外面包覆有导电聚合物层。由于该导电聚合物层由聚合物和导电颗粒所构成，和其它辅助阳极材料相比，其导电性较差，排出的电流量较小，工作电流密度较低。同时由于导电聚合物在工作时，其表面会发生电化学反应，使导电相(通常为碳颗粒)消耗，析出氯气或氧气后会在阳极周围形成苛刻的酸性环境，导致导电聚合物层的加速老化，从而缩短其使用寿命。而一旦该导电聚合物层产生破损，裸露的铜芯将会产生阳极溶解，最终导致整个阳极断路，使连续式阳极地床失效。
文献(William A.Kovatch，Performance of catalyst carrying conductive polymerwire anode in fresh water and underground，Corrosion 87，Paper no.319，NACE，1987)介绍了一种改进型导电聚合物电缆阳极，它是在上述柔性阳极的基础上，在外表面再增加了贵金属氧化物导电颗粒，尽管可使电极的活性增强，工作电流密度增大，但仍然存在导电涂层老化问题和阳极断路的危险。最近的发展是(K.Darowicki，S.Janicki and J.Orlikowski，Electrochemical properties ofcomposite anodes for cathodic protection，Journal of Applied Electrochemistry，2000，Vol.30，333-337)将原来的导电相碳颗粒的表面复合具有电催化活性的贵金属氧化物，从而提高导电聚合物柔性阳极的电化学性能，降低导电相的消耗速率，但由于表面电化学反应更强，因此对聚合物的老化损伤也更厉害。
也曾有人(V.Brown，R.W.Stephens and R.D.Kygar，Use of mixed metal oxideanodes for impressed current cathodic protection of above ground storage tanks withpolyethylene leak detection membranes，Corrosion 92，Paper no.384，NACE，1992)以连续的铜芯电缆为导电载体，每隔一定的距离采用压接的方式将铜芯和一段钛基金属氧化物丝或带相连，构成柔性阳极。但该种阳极排流量较小，有很多的电缆接头，仅靠树脂等密封料密封，可靠性较低，一旦一个接头损坏就会导致整个电缆柔性阳极失效。
发明内容：
针对上述现有电缆柔性阳极所存在的不足，本发明的目的在于提供一种外加电流阴极保护用分布式金属氧化物柔性阳极。该辅助阳极具有较大的排流量和工作电流密度，良好的电化学性能和长的使用寿命，并能长期可靠地工作。适用于防止地下管道，尤其是涂层破损的老旧管线以及储罐罐底等金属结构物的电化学腐蚀。
为了实现本发明的目的，该分布式金属氧化物柔性阳极由主阳极电缆、管状阳极体和碳质填料包所组成。主阳极电缆采用铜芯聚合物绝缘包皮的电缆或铠装电缆以防止电缆在施工和使用过程中的机械损伤。主阳极电缆主要起电流导体的作用，其规格取决于流过的阳极电流的大小。沿着主阳极电缆等距离相间串接管状阳极体，阳极体之间的间距可根据实际需要进行调节，不一定都是均匀分布。例如，对保护电流需要量较大的区域，对应的管状阳极体的数量可以增加，即更密分布。管状阳极体的材料为钛基混合金属氧化物，在管状阳极体的周围采用碳质填料包以降低阳极地床的接地电阻。该分布式金属氧化物柔性阳极可在工厂预先组装好，既提高了整个分布式阳极的可靠性，也方便了现场施工。
在主阳极电缆的适当位置，剥开包皮，露出一段电缆铜芯，在铜芯部位放置两块半圆形的铜质导电块，其外径和管状阳极体的内径相当。将管状阳极体套进主阳极电缆，并使铜质导电块的位置位于管状阳极体的中间，在管状阳极体的外壁包覆容易变形并导电良好的金属箔或金属带，再在其上套制金属环，通过径向均匀的挤压变形，使主阳极电缆与管状阳极体形成电性连接，其电性连接接头位于管状阳极体的中间部分。由于采用了中间连接，可有效减小辅助阳极存在的端头效应，使阳极体表面的电流分布更均匀，从而延长阳极的寿命。管状阳极体外壁包覆的金属箔或金属带可采用铜或铝材料，其作用一方面使阳极体变形更均匀；另一方面可避免管状阳极体表面金属氧化物涂层在挤压变形过程中的损坏，以保证整个阳极体表面电催化涂层的完整性。由于电缆接头是辅助阳极的薄弱环节，密封不当易产生电解破坏，使整个分布式柔性阳极产生提早失效。本发明在主阳极电缆和管状阳极体之间的接头采用两道冗余密封，先在管状阳极体和主阳极电缆之间填充密封料如环氧树脂或石蜡，然后在管状阳极体的两端采用橡胶密封套，经挤压进行二次密封。
管状阳极体采用钛为基体，其纯度为99％～100％，在钛质管状阳极体的工作表面被覆有导电的混合金属氧化物导电涂层，包括氧化钌、氧化铱、氧化钯等贵金属氧化物中的一种或多种和氧化钛、氧化锡、氧化钽等非贵金属氧化物中的一种或多种混合构成，贵金属氧化物的含量为30％～100％(摩尔比)。管状阳极体的内表面用机械打磨去掉钛表面的氧化皮，露出新鲜的金属表面。
采用透水的布袋做填料包，在管状阳极体的周围填充导电性良好的石油或冶金焦炭粉形成碳质填料包，碳质填料的含碳量为85％～100％，粒度小于3mm。
本发明与背景技术相比具有如下优点：(1)采用钛作阳极基体，具有良好的机械性能，不易损坏；阳极重量轻，可替代笨重的高硅铸铁阳极，便于搬运和安装；(2)采用了导电的混合金属氧化物做阳极涂层，使该阳极具有极高的稳定性和很低的消耗率，因而可具有长的使用寿命；由于氧化物涂层具有高的电化学活性，因而具有更高的效率；(3)阳极电缆接头在管状阳极体的内部，并采用了多道冗余密封，以提高阳极体和电缆接头之间的水密性，改善了柔性阳极的可靠性；(4)管状阳极体外壁包覆金属箔或金属带，可使阳极体变形更均匀；并可避免管状阳极体表面金属氧化物涂层在挤压变形过程中的损坏；(5)管状阳极体采用了中间连接的方式，可有效减轻端头效应；(6)阳极电缆仅起导电作用，本身并不参与阳极电化学反应，因此可提高整个柔性阳极的寿命；(7)由于该分布式金属氧化物柔性阳极可在工厂预先组装好，既提高了整个分布式阳极的可靠性，也方便了现场施工。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为管状阳极体与主阳极电缆电性连接和密封结构原理示意图。
具体实施方式：
本发明的实施时，其主体结构包括主阳极电缆1、管状阳极体2、碳质填料包3、电缆铜芯4、铜质导电块5、金属箔(或带)6、金属环7、密封套8和填充密封料9。在主阳极电缆1的适当位置，剥开包皮，露出一段电缆铜芯4，在铜芯上放置两块半圆形的铜质导电块5，其外径和管状阳极体2的内径相当。将管状阳极体2套进主阳极电缆1，并使铜质导电块5的位置位于管状阳极体2的中间，在管状阳极体2的外壁包覆容易变形并导电良好的金属箔或金属带6，在其上套上铜质或钢质金属环7，通过径向均匀的挤压变形，使主阳极电缆1与管状阳极体2形成电性连接。由于采用了中间连接，可有效减小辅助阳极存在的端头效应，使管状阳极体2表面的电流分布更均匀，从而延长阳极的寿命。管状阳极体2外壁包覆的金属箔或金属带6可采用铜或铝材料，其作用一方面使管状阳极体2变形更均匀；另一方面可避免管状阳极体2表面金属氧化物涂层在挤压变形过程中的损坏，以保证整个管状阳极体2表面电催化涂层的完整性。由于电缆接头是辅助阳极的薄弱环节，若密封不当极易产生电解破坏，使整个分布式柔性阳极产生提早失效。本发明采用两道冗余密封，先在管状阳极体2和主阳极电缆1之间填充密封料9如环氧树脂或石蜡，然后在管状阳极体2的两端采用橡胶密封套8，通过挤压进行二次密封。
管状阳极体2采用钛为基体，其纯度应高于99％。在钛基体的工作表面被覆有导电的混合金属氧化物，主要由氧化钌、氧化铱、氧化钯等铂族金属氧化物中的一种或多种和氧化钛、氧化锡、氧化钽等非贵金属氧化物中的一种或多种所构成，并且贵金属氧化物的含量应不小于30％(摩尔比)。当贵金属氧化物的含量小于该值时，混合金属氧化物阳极的电化学性能将会明显劣化。对管状阳极体2的内表面，采用机械打磨的方法去掉钛表面的氧化皮，露出新鲜的金属表面，既可减低铜质导电块5和钛阳极体之间的接触电阻，又可有效改善填充密封料9与钛管内壁之间的附着力，提高密封性能。由于该混合金属氧化物涂层具有大的比表面积和极高的化学和电化学稳定性，因此该钛基氧化物涂层阳极比石墨、高硅铸铁、铂阳极等电极材料具有更高的电催化活性和更小的消耗率，是一种高性能的辅助阳极材料，并具有高的性能价格比。
采用钛管做阳极基体，其尺寸为Φ25mm(直径)×1000mm(长)×1mm(壁厚)，在管状阳极体2的工作表面被覆含有氧化钌、氧化铱、氧化钛、氧化钽、氧化锡的混合金属氧化物导电涂层。在管状阳极体2的内部采用机械打磨的方法清除表面的氧化皮膜。采用一根VV16的阳极电缆，长度为2500m，每隔大约100m的距离分布一上述管状阳极体。采用挤压的方法实现主阳极电缆1与管状阳极体2中间部位之间的电性连接。在管内灌注环氧密封料，待固化后在管状阳极体2的两端的电缆上套上橡胶密封套8，采用同样挤压的方法进行密封。在管状阳极体2要挤压部位的外表面采用铝箔进行了包覆。测量了封装好后管状阳极体2和主阳极电缆1之间的接触电阻，其值小于0.001Ω，表明管状阳极体2和主阳极电缆1之间有良好的电性连接。采用棉布袋在管状阳极体2周围填充10mm厚的碳质填料形成碳质填料包3，其含碳量为90％，颗粒直径小于3mm。采用上述组装好的分布式金属氧化物柔性阳极，对一条涂层已老化破损的旧钢管进行保护，管道的直径为Φ760mm，长度约为3000m。采用容量为25A/40V的恒电位仪进行供电。对保护效果进行检测表明，分布式金属氧化物柔性阳极工作性能稳定可靠，管道各处均达到保护电位准则的要求，管道处于良好保护状态。
Claims (7)
1. 一种分布式金属氧化物柔性阳极，由主阳极电缆、管状阳极体和碳质填料包组成，其特征在于沿着主阳极电缆等距离相间串接管状阳极体，管状阳极体的材料为钛基混合金属氧化物，在管状阳极体的周围填充有碳质填料包。
2. 根据权利要求1所述的分布式金属氧化物柔性阳极，其特征在于管状阳极体采用钛为基体，其纯度为99％～100％，在钛质管状阳极体表面覆有混合金属氧化物导电涂层，由氧化钌、氧化铱、氧化钯中的一种或多种和氧化钛、氧化锡、氧化钽中的一种或多种混合构成，贵金属氧化物的含量为30％～100％摩尔比。
3. 根据权利要求1所述的分布式金属氧化物柔性阳极，其特征在于主阳极电缆和管状阳极体形成电性连接，电性连接接头位于管状阳极的中间部位。
4. 根据权利要求1所述的分布式金属氧化物柔性阳极，其特征在于在管状阳极体的外壁包覆铜质或铝质的金属箔或金属带，再在其上套制铜质或钢质金属环。
5. 根据权利要求1所述的分布式金属氧化物柔性阳极，其特征在于管状阳极体的内表面用机械打磨去掉钛表面的氧化皮，露出新鲜的金属表面。
6. 根据权利要求1所述的分布式金属氧化物柔性阳极，其特征在于对主阳极电缆和管状阳极体之间的接头采用两道冗余密封，先在管状阳极体和阳极电缆之间填充环氧树脂或石蜡密封料，然后在管状阳极体的两端用橡胶密封套，挤压进行二次密封。
7. 根据权利要求1所述的分布式金属氧化物柔性阳极，其特征在于用透水的布袋做填料包，在管状阳极体的周围填充导电性良好的石油或冶金焦炭粉形成碳质填料包，其含碳量为85％～100％，粒度小于3mm。
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