犧牲陽性再變電站接地網中的研究

1、 畢業(yè)設計（論文）題 目 犧牲陽極在變電站 接地網中應用研究 專 業(yè) 材料成型與控制專業(yè) 班 級 成型094 學 生 指導教師 2013 年摘要犧牲陽極在變電站接地網中應用研究iiiabstract學 科： 材料成型及控制工程作 者： 訾 陽 （簽名） （簽名） 指導教師： 雷阿利摘 要犧牲陽極因較活潑，在電解質液中優(yōu)先溶解，釋放出的電子則通過導線傳輸被保護金屬表面。而電位相對較正的被保護金屬則同時發(fā)生了陰極極化，使金屬電位負移至某保護電位，抑制了被保護金屬表面的陽極過程，使金屬受到了防腐保護。本論文旨在研究鎂合金犧牲陽極對接地網扁鋼的保護半徑。通過實驗室試驗，在一定土壤環(huán)境下，扁鋼樣品的一端

2、連接鎂合金并運行一定時間后，測量扁鋼樣品長度方向上不同點的工作電位。根據陰極保護最小保護電位-0.85V這一要求，計算出陰極保護的半徑，并結合一定的參數條件，通過數學方法推導出鎂合金犧牲陽極的保護半徑計算公式。分析扁鋼的工作電位隨著不同Mg-Fe距離、不同鎂合金數量的變化規(guī)律。結果表明：（1） 連接鎂合金后，扁鋼的整體電位都下降，越靠近鎂合金接入點的電位越負；（2） 現場使用鎂合金犧牲陽極做陰極保護時，需外加填料包，可穩(wěn)定鎂合金的輸出電流，并使得保護半徑更大更穩(wěn)定；（3） 在鎂合金犧牲陽極初始運行階段，保護半徑與時間關系符合漸進分布數學模型；（4） 在相同條件下，鎂合金數量越多或表面積越大，其

3、保護半徑越大；（5） 鎂合金犧牲陽極對扁鋼的保護半徑隨著鎂合金與扁鋼的距離的減小而相應增大；（6） 犧牲陽極陰極保護系統中，陰極面積越大，陽極的保護半徑越小，反之亦然；（7） 根據相關陰極保護標準，結合實驗室試驗，得出犧牲陽極保護半徑的數學計算公式：關鍵詞：鎂合金，犧牲陽極，電位，保護半徑The application research of sacrificial anode in the substation ground networkSpecialty: Forming and Controling of MaterialsUndergaduate: yang zi(Signature

4、): (Signature): Supervisor : Ali LeiAbstractSacrificial anode was more lively, give priority to dissolve in the electrolyte solution.Release electrons transfer through the wire to protect the metal surface.While potential is relatively protected metal happened cathode polarization at the same time,t

5、he negative potential moved to the metal in a protection potential,Dampened by the anodic process of metal surface protection, to make the metal corrosion protection. This paper aims to study the radius of the magnesium alloy sacrificial anode protect the flat steel of grounding systems. Through lab

6、oratory test,under certain soil environment, magnesium alloy are connected at the flat steel sample,s end and run after certain time, measuring potential of the differences work at flat steel sample length direction. Based on the minimum protection potential of cathodic protection is - 0.85 V, to ca

7、lculate the radius of the cathodic protection. Combined with the certain parameter conditions, by mathematical methods to deduce the calculation formula of protection radius in magnesium alloy sacrificial anode. Analysis with the change rule of work potentials, that are the flat steel at different d

8、istance of Mg -Fe and different quantity of magnesium alloys. The results show that: (1)After connecting magnesium alloy，the flat steel drop in overall potential,and the potentials of closer to the access point of magnesium alloys was more negative.(2) When we use the magnesium alloy sacrificial ano

9、de for cathodic protection,we need plus packing bags.They can stable output current of magnesium alloys,and the protection radius more larger, more stable.(3) In initial operation stage,the protection radius of magnesium alloy sacrificial anode and time relation accord with mathematical model in gra

10、dual distribution.(4) Magnesium alloy in the same situation, the more quantity or the greater the surface area,the protection radius was greater.(5) With the distance of magnesium alloy sacrificial anode and the flat steel decreasing,the protection radius are increasing accordingly.(6) At cathodic p

11、rotection system of sacrificial anode, the greater the area of cathode, the anode protection radius is smaller, and vice versa.(7) According to the associated standard of cathodic protection ,and combined with laboratory tests,mathematical calculation formula of protection radius are obtained:.Keywo

12、rds：Magnesium alloy，Sacrifice anode, potential, radius of protectionError! Document Variable not defined.2013屆材料成型與控制專業(yè)畢業(yè)設計（論文）目錄摘要Abstract第一章 前言11.1 引言11.2 常用的犧牲陽極材料11.3 犧牲陽極的選擇31.4 犧牲陽極的保護機理41.4.1 金屬材料的電化學腐蝕機理41.4.2犧牲陽極保護法的機理61.5 保護電位71.5.1 保護電位的主要參數71.5.2 保護電位準則81.5.3 電位和電流分布規(guī)律91.6 接地網犧牲陽極陰極保護半徑9

13、1.7 本課題研究目的和意義及研究內容10第二章.實驗方案及步驟112.1 實驗材料112.2 實驗方法112.3 實驗裝置12第三章 實驗數據及分析133.1 土壤含水量25%時鎂合金犧牲陽極保護電位及保護半徑數據133.1.1 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.1m時的保護電位133.1.2 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.2m時的保護電位153.1.3 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.3m時的保護電位163.1.4 土壤含水量25%時鎂合金犧牲陽極保護半徑183.2 土壤含水量25%并外加填料包時鎂合金犧牲陽極陰極保護電位及保護半徑數據193.2.1 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.1m時的保護電

14、位193.2.2 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.2m時的保護電位213.2.3 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.3m時的保護電位233.2.4 土壤含水量25%并外加填料包時鎂合金犧牲陽極保護半徑253.3 數據分析263.3.1 鎂合金運行環(huán)境分析263.3.2 鎂合金保護半徑的函數關系研究273.3.3 鎂合金與扁鋼距離對保護半徑的影響303.3.4 鎂合金表面積與保護半徑的關系313.3.5 鎂合金犧牲陽極保護電位與陰極面積的關系323.4 保護長度的理論計算33第四章 結論35致 謝36參考文獻37I第一章 前言第一章 前言1.1 引言 變電站接地網是用于工作接地、防雷接地、保護接地的必

15、備設施，是確保人身、設備、系統安全的重要環(huán)節(jié)，它在防雷電、靜電和故障電流起著泄流和均壓的作用1。變電站接地網腐蝕引起的事故時有發(fā)生。腐蝕有可能造成接地導線截面積減小，甚至斷裂，直接關系到電網的安全運行，是造成大面積停電的事故原因之一2。國家電網公司十分重視變電站接地網的設計、施工和和運行維護工作。為此，在2005年發(fā)布的國家電網公司十八項重大反事故措施中第12章“防止接地網和過電壓事故”明確提出了要求。要求“結合短路容量變化和接地裝置的腐蝕程度有針對性地對接地裝置進行改造”,并“定期通過開挖等手段確定接地網的腐蝕情況。如發(fā)現接地網腐蝕較為嚴重，應及時進行處理。”等。隨著電力系統容量的不斷增加，

16、流經地網的入地短路電流也愈來愈大。當事故出現時, 如果接地網因腐蝕而造成接地性能不良，不能承受雷電沖擊或短路事故形成的電流，短路電流無法在土壤中充分擴散，導致接地網電位升高, 使接地設備的金屬外殼帶高電壓而危及人身安全和擊穿二次絕緣保護裝置，甚至損壞設備，擴大事故，破壞電網系統穩(wěn)定。電網的安全穩(wěn)定, 使接地網防腐成為必需解決的重要問題。接地網的腐蝕與防護方法很多，犧牲陽極的陰極保護法是其中最主要的方法之一，且應用廣泛。犧牲陽極法是積極的保護以陰極形式存在的地網，使被保護接地網的任意點的對地電位在-0.851.25V（相對于銅飽和硫酸銅參比電極）之間3。犧牲陽極保護接地網，是在將要保護的接地體上

17、敷設比該接地體活潑的金屬作為陽極（原電池陰極），使被敷設上的金屬受到腐蝕，而接地體本身得到保護。1.2 常用的犧牲陽極材料 目前較常用的犧牲陽極材料有鎂基、鋅基和鋁基合金陽極。（1）鎂合金犧牲陽極鎂不容易鈍化，并且鎂的激勵電壓最高，由于這些特性以及他的高電流容量，鎂特別適合作為犧牲陽極使用，鎂的標準電極電位為-2.37V（EH），在海水中的穩(wěn)定電位為-1.45 V(EH)4，鎂基犧牲陽極電位較負，陽極輸出電流大，發(fā)送距離遠，陽極極化率低 ,溶解均勻，保護效果可靠?，F在普遍使用的鎂合金犧牲陽極有三類：純鎂，Mg-Mn系合金和Mg-AI-Zn-Mn系合金，它們的共同特點是電位比較負、極化率也很低、

18、密度小、理論電容量大，與鐵的有效電位差很大，保護半徑大5。但不足之處是鎂的自腐蝕較嚴重，并隨介質中含鹽量的增加而增加6，因此，純鎂實際有效電流容量較理論電流容量小得多。鎂陽極的電流效率也不高，通常只有55%左右，比鋅基合金和鋁基合金犧牲陽極的電流效率要低得多，而且表面難以形成有效的護膜，在水介質中自腐蝕反應劇烈。因此，大多數研究表明，鎂陽極適用于電阻較高的土壤中和淡水。（2） 鋁合金犧牲陽極 鋁合金密度小，理論電容量大，對鋼鐵的驅動電位較大，在含Cl-的環(huán)境中電位能保持在-0.95-1.10V（SCE）之間7，已經廣泛應用于水庫鋼鐵閥門，海上石油鉆井平臺以及遠洋貨輪的鋼制外殼等各個領域，但由于

19、純鋁表面極易生成致密的鈍化膜，使鋁的電位正移，通常添加In、Sn、Si、Gd、Ti等合金元素來增大鈍化膜的缺陷，促使鋁不斷溶解。單獨添加很少量這些元素就可以使鋁的電位變負0.30.9V，但電流效率過低，并且會隨時間延長而下降，最常用的是添加兩種或兩種以上活化元素使之形成多元鋁合金，既能滿足電位要求又能顯著增大電流效率。因此一般按其材料可分為可分為五種，包括鋁-鋅-銦-鎘合金犧牲陽極、鋁-鋅-銦-錫合金犧牲陽極、鋁-鋅-銦-硅合金犧牲陽極、鋁-鋅-銦-錫-鎂合金犧牲陽極、鋁-鋅-銦-鎂-鈦合金犧牲陽極8。這五種合金主要用于海水介質中的船舶、港工與海洋工程設施、海水冷卻水系統和儲罐沉積水部位等工業(yè)

20、領域。（3）鋅合金犧牲陽極鋅合金陽極的特點是：密度大、理論發(fā)生電量較小，電流效率高，表面溶解均勻，腐蝕產物疏松，容易脫落，在保護鋼結構物時，有一定自調節(jié)電流和電位的作用。最初，所使用的鋅材料來自于熱浸鍍鋅工藝中的鋅，超純鋅是一種非常良好的陽極材料9，純度高達99.995%，含鐵量少于0.0014%，沒有其他添加物，德國海軍部已經批準使用這種陽極材料10，但是由于其晶粒粗大并有柱狀晶體結構，往往呈現不均勻剝離，為了細化晶粒，合金中通常加入鎘和鋁，還對雜質元素起到了抑制作用，因此一般主要用的是鋅-鋁-鎘合金犧牲陽極，適于溫度低于50和電阻率小于15·m的海水、淡海水、土壤等電解質中的金屬

21、構件陰極保護。1.3 犧牲陽極的選擇 在防腐蝕過程中通常根據土壤電阻率選擇犧牲陽極的種類再根據保護電流的大小選擇陽極的規(guī)格。表1-1為土壤中選擇犧牲陽極的原則其中鎂陽極具有較高的化學活性電位負，輸出電流較大，腐蝕較快。因此鎂陽極常適用于電阻率較高的土壤。鋅陽極可能產生極性逆轉。當溫度高于60時由于鋅陽極表面氧化其電位要比鋅本身電位正得多這樣鋅陽極將變?yōu)殛帢O而受到保護。而鐵成為陽極而加速腐蝕。因此鋅陽極常適用于電阻率較高的土壤鋁陽極的標準電位電極比鋅負很多，從理論上講鋁是一種很好的犧牲陽極材料但是鋁在土壤中極易鈍化在表面上形成一層保護性能很好的氧化膜Al(OH)3膜的電位很正。阻礙電流產生，故鋁

22、陽極不能用于土壤中。表1-1 犧牲陽極種類的應用選擇可選陽極種類土壤電阻率（·m）帶狀鎂陽極>100鎂（-1.7V）60-100鎂40-60鎂（-1.5V）<40鎂（-1.5V），鋅<15鋅或Al-Zn-In-Si<5(含Cl-)國外一般不主張在土壤中應用鋁陽極。國內也很少成功。有一些環(huán)境如低電阻率、潮濕和含氯化物的海岸灘涂使用鋁陽極可能還有可取之處。犧牲陽極形狀的選擇根據保護對象、環(huán)境而變化。犧牲陽極的使用受其電化學性能的限制，陽極材料的靜電位必須比受保護物體的保護電位負得多，這樣才能維持足夠的激勵電壓。作為犧牲陽極材料，應該具備下列條件11：（1） 陽極的

23、電位要負，即它與被保護金屬之間的有效電位差要大；電位比鐵負而合適做犧牲陽極的材料有鋅基、鋁基和鎂基三大類合金。（2） 在使用過程中電位要穩(wěn)定，陽極極化要小，表面不產生高電阻的硬殼，溶解均勻。（3）單位重量陽極產生的電量大，即產生1A時電量損失的陽極重量要小。三種陽極的材料的理論消耗量為：鎂為0.453g/Ah，鋁為0.335g/Ah，鋅為1.225g/Ah。（4）陽極的自溶量小，電流效率高。由于陽極本身的局部腐蝕，產生的電流并不能全部用于保護作用。有效電量在理論發(fā)生電量中所占的百分數成為電流效率。（5）價格低廉，來源充分，無公害，加工方便12。1.4 犧牲陽極的保護機理1.4.1 金屬材料的電

24、化學腐蝕機理金屬材料與電解質溶液相互接觸時，在界面上將產生有自由電子參加的氧化和還原反應，導致接觸界面的金屬原子變?yōu)殡x子或者絡合離子而溶解，或者生成氫氧化物、氧化物等穩(wěn)定化合物，從而破壞了金屬材料的特性，這個過程被稱為電化學腐蝕。（1）腐蝕原電池腐蝕原電池實質上是一個短路原電池，即電子回路短接，電流不對外做功，而自耗于腐蝕電池內陰極的還原反應中。如圖1-1所示，將鋅與銅接觸并置于鹽酸的水溶液中，就構成一個以鋅為陽極，銅為陰極的原電池。陽極鋅失去電子，而陰極銅得到電子，并在陰極表面的溶液中與氫離子結合生成氫氣而逸出。這樣以來，鋅不斷地失去電子變成鋅離子，而溶液中的氫離子不斷地得到電子變成氫氣，只

25、要溶液中有足夠的氫離子,陽極鋅就會不斷被溶解消耗。 HCl 圖1-1腐蝕原電池（2）腐蝕原電池工作的基本過程a、陽極過程：金屬溶解，以離子形式遷移到溶液中同時把當量電子留在金屬上。b、電流通路：電流在陽極和陰極間的流動是通過電子導體和離子導體來實現的，電子通過電子導體(金屬)從陽極遷移到陰極，溶液中的陽離子從陽極區(qū)移向陰極區(qū)，陰離子從陰極區(qū)向陽極區(qū)移動。c、陰極過程：從陽極遷移過來的電子被電解質溶液中能吸收電子的物質接受。由此可見，腐蝕原電池工作過程是陽極和陰極兩個過程是獨立而又相互依存的。電化學腐蝕過程中，由于陽極區(qū)附近金屬離子的濃度高，陰極區(qū)H+離子放電或水中氧的還原反應，使溶液pH值升高

26、。于是在電解質溶液中出現了金屬離子濃度和pH值不同的區(qū)域。從陽極區(qū)擴散過程來的金屬離子和從陰極區(qū)遷移來的氫氧根離子相遇形成氫氧化物沉淀產物，稱這種產物為次生產物，形成次生產物的過程為次生反應。1.4.2犧牲陽極保護法的機理犧牲陽極陰極保護的基本作用過程是：當一電位較負的金屬與被保護金屬結構物連接時，兩者構成宏觀的腐蝕原電池；其中電位較正的金屬結構物作為宏觀腐蝕原電池的陰極，而電位較負的金屬作為陽極13。當連接良好時，前者將受到保護，后者會加速腐蝕。犧牲陽極的原理可用圖1-2所示的金屬保護示意圖解釋。防蝕電流接線盒金 屬犧牲陽極介質圖1-2 犧牲陽極陰極保護示意圖如圖1-2中，埋設于土壤或海水中

27、的金屬采用犧牲陽極進行保護，整個電流系統中金屬作為腐蝕電池的陰極被犧牲陽極陽極極化所產生的防蝕電流保護，通過接線盒可以測得電路中的極化電流。埋設在土壤中的接地網的犧牲陽極保護原理與上圖相同，當接地網沒有被保護時，接地網材料扁鋼發(fā)生電化學腐蝕，陽極反應和陰極反應分別是：和或；當采取保護措施時，由于鎂犧牲陽極的電化學性質活潑，易發(fā)生氧化反應，產生陽極極化；接地網的電極電位較高，作為電池的陰極發(fā)生還原反應被保護。此時，陽極反應和陰極反應分別為：和。1.5 保護電位陰極保護電位是當被保護金屬表面的電位被陰極極化到所有微陽極中最負的電位值或再稍負一些時，金屬表面即可達到同等電位，腐蝕微電池作用被迫停止，

28、金屬腐蝕亦被抑制時的電位14。1.5.1 保護電位的主要參數(1) 自然電位 自然電位是金屬埋入土壤后，在無外部電流影響時的對地電位。自然電位隨著金屬結構的材質、表面狀況和土質狀況，含水量等因素不同而異，一般有涂層埋地管道的自然電位在-0.40.7V(CSE)之間，在雨季土壤濕潤時，自然電位會偏負，一般取平均值-0.55V。(2) 最小保護電位就是被保護金屬開始獲得完全陰極保護的起始電位15。一般認為，金屬在電解質溶液中，極化電位達到陽極區(qū)的開路電位時，就達到了完全保護。(3) 最大保護電位如前所述，保護電位不是愈低愈好，是有限度的，過低的保護電位會造成管道防腐層漏點處大量析出氫氣，造成涂層與

29、管道脫離，即陰極剝離，不僅使防腐層失效，而且電能大量消耗，還可導致金屬材料產生氫脆進而發(fā)生氫脆斷裂，所以必須將電位控制在比析氫電位稍高的電位值，此電位稱為最大保護電位，超過最大保護電位時稱為“過保護”。(4) 最小保護電流密度使金屬腐蝕下降到最低程度或停止時所需要的保護電流密度，稱作最小保護電流密度，其常用單位為mA/。處于土壤中的裸露金屬，最小保護電流密度一般取10mA/。(5) 瞬時斷電電位 在斷掉被保護結構的外加電源或犧牲陽極0.20.5S中之內讀取的結構對地電位稱為瞬時斷電電位。由于此時沒有外加電流從介質中流向被保護結構，所以所測電位為結構的實際極化電位，不含IR降（介質中的電壓降）。

30、由于在斷開被保護結構陰極保護系統時，結構對地電位受電感影響，會有一個正向脈沖，所以應選取0.20.5S之內讀數。1.5.2 保護電位準則 為了便于實際應用，通過多年的實踐與研究，得出了以下判斷結構是否得到充分保護的判斷準則。1、NACERPO169建議“在通電的情況下，埋地鋼鐵結構最小保護電位為-0.85V(CSE)或更負，在有硫酸鹽還原菌存在的情況下，最小保護電位為-0.95V(CSE)，該電位不含土壤中電壓降（IR降）”。實際測量時，應根據瞬時斷電電位進行判斷。目前流行的通電電位測量方法簡便易行，但對測量中IR降的含量沒有給予足夠重視。其后果是很多認為陰極保護良好的管道發(fā)生腐蝕穿孔。這方面

31、的教訓是很多的。如：四川氣田南干線，認為陰極保護良好，但是實際內檢測發(fā)現腐蝕深度在壁厚的1019的點多達410處；個別位置的點蝕深度達到50。進行斷電電位測量發(fā)現，很多點保護（斷電電位）沒有達到-0.85V(CSE)。有效的方法是實際測量幾點的IR降，保護電位按0.85+IR降來確定。IR降可以通過通電電位減去瞬時斷電電位獲得，也可以用瞬時通電電位減去結構自然電位來獲得。2、瞬時斷電電位與自然電位之差不得小于100mA在有些情況下，在斷電電源0.20.5S內測量斷電電位，待結構去極化后（24或48小時后）再測量結構電位（自然電位），其差值應不小于100mA。也可以用通電電位（極化后）減去瞬時通

32、電電位來計算極化電位。3、最大保護電位的限制應根據覆蓋層及環(huán)境確定，以不損壞覆蓋層的粘結力為準，一般瞬時斷電電位不得低于-1.10V(CSE)。由于受舊規(guī)矩的影響，很多人還認為陰極保護最大電位不能低于-1.5V(CSE)。事實上這種觀念是錯誤的，造成的危害也是巨大的。判斷陰極保護電位是否過大應以斷電電位為判斷基礎，只要斷電電位不低于-101V(CSE)（西歐為-1.15VCSE），通電電位再大也沒有關系。1.5.3 電位和電流分布規(guī)律受陰極保護的金屬表面的電位只有在一定的數值范圍以內才能使結構物受到有效的保護。電位過正（“欠保護16”）和電位過負（“過保護17”）都是應該避免的。注意的是，在實

33、際工程的陰極保護系統中，金屬結構物表面的電位以及相應的電流密度并不是到處一樣的，即電位和電流分布常常不均勻的。比如在對金屬構筑物實施陰極保護采取相隔一定距離分立布置的輔助陽極，這時靠近陽極的部位保護電位最負，兩側的電位隨著距離按指數規(guī)律衰減，結果兩個相鄰陽極中間的電位最正。這是因為，按照歐姆定律，陰極保護電流流動總是優(yōu)先通過電阻小的途徑。于是，受保護結構在靠近陽極的部位將有較大的保護電流流入，引起較大的陰極極化，因而達到較負的保護電流，與此同時，在遠離陽極的部位由于流入的保護電流較小，保護電位就達不到那樣負的數值。結果就造成了電位分布不均勻。有多種因素會影響到電位分布，包括：陽極的形狀、數量和

34、布置，受保護結構的表面涂層，介質電阻率以及計劃時間等。 了解保護電位的分布情況對于陰極保護系統的日常維護和管理具有重要的意義。測量電位分布是評價陰極保護效果的依據。但是由于電化學電位和電流分布問題特殊的非線性邊界條件和電化學系統常有的復雜形狀，通常很難求出電位和電流分布問題的解析解。計算機的加速普及和廣泛應用使得有可能在不過分簡化邊界條件的情況下用數值方法求解電位和電流分布問題。以電位和電流分布計算為基礎，通過各種方案的比較可以在陽極種類、尺寸、數量、布置等方面優(yōu)化設計，使陰極保護達到經濟、有效的目標。1.6 接地網犧牲陽極陰極保護半徑犧牲陽極保護法因其不需要外加電源、不會干擾鄰近金屬設施、電

35、流分散能力好、易于管理和維護等優(yōu)點，而得到了廣泛的應用。但是如何確定最佳的保護長度，進一步提高犧牲陽極的利用率還沒有統一的認識。陰極保護最重要的工作是保護電位的控制，必須保證接地金屬材料的電位處于合理的范圍內，過高或過低地都會產生不利的影響。碳鋼在土壤及海水中的自然電位為0.500.60V(相對于銅飽和硫酸銅電極,下同)，通人陰極保護電流后，其電位將負移。根據試驗測定，碳鋼的最小保護電位為0.85V，高于此電位，不能有效阻止腐蝕的發(fā)生；但若電位負移太多、超過最大保護電位時，可能會減弱甚至破壞防腐蝕層的粘結力，即發(fā)生“過保護”。最大保護電位的確定對金屬陰極保護有重要的影響。實施陰極保護時，犧牲陽

36、極或恒電位儀陰極導線直接焊接到接地材料上，焊點附近金屬的電位最負。隨著與焊點距離的增加，金屬電位逐漸攀升，最遠端電位最正。電位攀升速度取決于防腐蝕層的絕緣性能，正常的陰極保護必須保證最遠端的金屬電位負于0.85V。最大保護距離Lmax計算公式如下：Lmax=(Rr)1/2×ln2×(E0Ecorr)(0.85Ecorr)式中，R防腐蝕層電阻，r鋼管電阻， E0最大保護電位，Ecorr鋼管自然電位。由上式可知：在其他參數不變的情況下，最大保護電位越負，則每組陽極的保護距離就越長。如果每組陽極保護距離太短，使其性能沒有得到充分利用，造成無謂的浪費。要提高陰極保護系統的經濟性能，

37、應針合理確定最大保護電位。充分利用陽極的潛能，達到最大保護距離。1.7 本課題研究目的和意義及研究內容如何選用合適的鎂合金對接地網材料進行有效的防護，既不造成鎂合金的成本浪費，同時又能很好的達到對接地材料的保護效果。目前，對于這一問題的研究較少，甚至沒有相關的數據支持。本課題旨在研究鎂合金對接地材料的保護半徑，從而確定在一定的土壤環(huán)境下，選定合理的鎂合金犧牲陽極的體積、質量以及安裝方式，以期達到對接地材料的高效保護。37第二章.實驗方案及步驟2.1 實驗材料試驗中所用的鎂合金材料及設備如表2-1、2-2所示。表2-1 試驗用材料及設備材料及設備規(guī)格或型號數量Mg-Y合金13×100m

38、m18碳鋼60×8×1000mm3萬用表F289C1硫酸銅電極便攜式1導線1.5mm2若干表2-2 鎂合金配方合金元素AlZnMnYMg含量6.19%3.35%0.31%0.15%90%2.2 實驗方法考慮接地網的實際運行環(huán)境，試驗選取含水量分別為25%條件下的土壤中進行鎂合金犧牲陽極的保護范圍評價實驗。具體的實驗操作過程如下：（1）為減小表面狀態(tài)對試驗結果的影響，首先進行扁鋼表面處理，處理方法采用打磨或噴砂。如下圖1所示，在扁鋼上以10cm為間隔連接10根引出導線，接頭處采用環(huán)氧樹脂絕緣包覆處理。將鎂合金用導線連于扁鋼一端，分別埋入含水量為25%的土壤中，埋設時注意土壤密

39、實度保持均勻。（2）改變鎂合金的連接數量，分別為0、2、4、6支，在同一變鎂合金與扁鋼的距離條件下，每隔一段時間（25h左右），用萬用表和硫酸銅電極測出分別連接0、2、4、6支鎂合金時，扁鋼不同位置（間隔為10cm）的電位值。（3）改變鎂合金與扁鋼距離，分別為0.1m、0.2m、0.3m，按照（2）中方法進行電位測量。（4）根據以上電位變化，繪制曲線。備注：硫酸銅電極放置于扁鋼正上方土壤中，深度2-3cm,加淡水保證導通，距離扁鋼距離控制在5cm以內，忽略IR降的影響。2.3 實驗裝置圖2-1 鎂合金犧牲陽極保護試驗裝置示意圖第三章 實驗數據及分析第三章 實驗數據及分析3.1 土壤含水量25%

40、時鎂合金犧牲陽極保護電位及保護半徑數據3.1.1 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.1m時的保護電位圖3-1所示為鎂合金與扁鋼間距為0.1m時，埋地不同時間后，不同數量的陽極進行保護時，扁鋼上不同測試點的工作電位值。從圖3-1可以看到，隨著扁鋼上測試點與鎂合金接入點的距離的增大，扁鋼的工作電位逐漸正移，當距離為0.9m左右時，電位基本保持穩(wěn)定，此時扁鋼的電位趨近于開路自腐蝕電位。根據陰極保護標準要求，扁鋼在土壤中進行陰極保護時的最小保護電位為-0.85V（SCE），可以看出在一定時間范圍內，隨著運行時間的延長，各個測試點的保護電位均負移。改變陽極數量，進行相同測試后發(fā)現，增加陽極數量后，相同保護時

41、間，相同測試點的保護電位出現小幅負移，說明增加陽極數量可以增大保護范圍。 a 埋地25h的工作電位變化 b 埋地50h的工作電位變化 c 埋地75h的工作電位變化 d 埋地100h的工作電位變化 e 埋地125h的工作電位變化 f 埋地150h的工作電位變化 g 埋地175h的工作電位變化 h埋地200h的工作電位變化圖3-1為鎂合金與扁鋼間距0.1m時埋地不同時間扁鋼各點的工作電位(含水量25%)3.1.2 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.2m時的保護電位圖3-2所示為鎂合金與扁鋼間距為0.2m時，埋地不同時間后，不同數量的陽極進行保護時，扁鋼上不同測試點的工作電位值。從圖3-2 可以看到，陽

42、極與扁鋼之間距離為0.2m時的工作電位變化與間距0.1m時有著相同的趨勢。隨著陽極與扁鋼上測試點距離的增大，扁鋼的工作電位逐漸正移。對比觀察圖3-1，可以看到在相同測試點，相同陽極數時，陽極與扁鋼距離增大后，保護電位正移，但是電位變化的趨勢及變化速率并未改變。 a 埋地25h的工作電位變化 b 埋地50h的工作電位變化 c 埋地75h的工作電位變化 d 埋地100h的工作電位變化 e 埋地125h的工作電位變化 f 埋地150h的工作電位變化 g 埋地175h的工作電位變化 h 埋地200h的工作電位變化圖3-2為鎂合金與扁鋼間距0.2m時埋地不同時間扁鋼各點的工作電位(含水量25%)3.1.

43、3 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.3m時的保護電位如圖3-3所示為鎂合金與扁鋼間距為0.3m時，埋地不同時間后，不同數量的陽極進行保護時，扁鋼上不同測試點的工作電位值。與鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.1m和0.2m時的保護電位相比，本圖所示電位均偏正，即保護效果相對較差。按照標準要求的最小保護電位-0.85V這一要求，本圖所示測試點電位只有靠近鎂合金接入點附近的2、3個點的電位達到保護電位。這說明鎂合金與扁鋼的距離有很大關系，隨著Mg-Fe距離的增大，相同測試點的保護電位均正移，超過一定的距離時，鎂合金對扁鋼的保護達不到保護最小電位的要求，對扁鋼的保護度為零。 a 埋地25h的工作電位變化 b

44、埋地50h的工作電位變化 c 埋地75h的工作電位變化 d埋地100h的工作電位變化 e 埋地125h的工作電位變化 f埋地150h的工作電位變化 g 埋地175h的工作電位變化 h埋地200h的工作電位變化 i 埋地250h的工作電位變化圖3-3鎂合金與扁鋼間距為0.3m時埋地不同時間扁鋼各點的工作電位(含水量25%)3.1.4 土壤含水量25%時鎂合金犧牲陽極保護半徑如圖3-4所示為陽極與扁鋼間距為0.1m時不同陽極數的保護長度。從圖3-4中可以看出，隨著陽極數量的增加，陽極所能達到的保護半徑增大。在試驗持續(xù)運行的時間內，隨著時間的延長，保護半徑呈現逐漸增大趨勢，并在175h左右達到基本穩(wěn)

45、定。如圖3-5所示為陽極與扁鋼間距為0.2m時不同陽極數的保護半徑。從圖3-5可以看到當陽極數量增加時，保護長度有所增大，并且在保護時間延長時，保護半徑存在一定的波動，但整體呈現增大趨勢。由圖3-6可見，鎂合金與扁鋼間距為0.3m時，保護半徑的變化趨勢與Mg-Fe距為0.1m和0.2m時基本相同，在200h左右達到穩(wěn)定值。 圖3-4 Mg-Fe距離為0.1m時保護長度 圖3-5 Mg-Fe距離為0.2m時保護長度 (含水量25%) (含水量25%) 圖3-6 Mg-Fe距離為0.3m時保護長度(含水量25%)3.2 土壤含水量25%并外加填料包時鎂合金犧牲陽極陰極保護電位及保護半徑數據3.2.

46、1 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.1m時的保護電位如圖3-7所示為鎂合金與扁鋼間距為0.1m時，埋地不同時間后，不同數量的陽極進行保護時，扁鋼上不同測試點的工作電位值。從圖3-7可以看到，隨著扁鋼上測試點與鎂合金接入點的距離的增大，扁鋼的工作電位逐漸正移。但是在實驗條件下的測試最終點1.0m處，工作電位仍然有上升的趨勢，且工作電位變化比較穩(wěn)定。 a 埋地25h的工作電位變化 b 埋地50h的工作電位變化 c 埋地75h的工作電位變化 d 埋地100h的工作電位變化 e 埋地125h的工作電位變化 f 埋地150h的工作電位變化 g 埋地175h的工作電位變化 h 埋地200h的工作電位變化 圖

47、3-7鎂合金與扁鋼間距為0.1m時埋地不同時間扁鋼各點的工作電位(含水量25%+填料包）3.2.2 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.2m時的保護電位圖3-8所示為鎂合金與扁鋼間距為0.2m時，埋地不同時間后，不同數量的陽極進行保護時，扁鋼上不同測試點的工作電位值。從圖3-8可以看到，隨著扁鋼上測試點與鎂合金接入點的距離的增大，扁鋼的工作電位逐漸正移。并在測試點0.9m左右處，工作電位基本保持穩(wěn)定，但工作電位變化不太穩(wěn)定，整體電位較圖3-7中電位偏正。 a 埋地25h的工作電位變化 b 埋地50h的工作電位變化 c 埋地75h的工作電位變化 d 埋地100h的工作電位變化 e 埋地125h的工作電

48、位變化 f 埋地150h的工作電位變化 g 埋地175h的工作電位變化 h埋地200h的工作電位變化圖3-8鎂合金與扁鋼間距為0.2m時埋地不同時間扁鋼各點的工作電位(含水量25%+填料包)3.2.3 鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.3m時的保護電位如圖3-9所示為鎂合金與扁鋼間距為0.3m時，埋地不同時間后，不同數量的陽極進行保護時，扁鋼上不同測試點的工作電位值。與鎂合金犧牲陽極與扁鋼間距為0.1m和0.2m時的保護電位相比，本圖所示電位均偏正，即保護效果相對較差。按照標準要求的最小保護電位-0.85V這一要求，本圖所示測試點電位只有靠近鎂合金接入點附近的35個點的電位達到保護電位。 a 埋地

49、25h的工作電位變化 b 埋地50h的工作電位變化 c 埋地75h的工作電位變化 d 埋地100h的工作電位變化 e埋地125h的工作電位變化 f埋地150h的工作電位變化 g 埋地175h的工作電位變化 h 埋地200h的工作電位變化圖3-9為鎂合金與扁鋼間距0.3m時埋地不同時間扁鋼各點的工作電位(含水量25%+填料包)3.2.4 土壤含水量25%并外加填料包時鎂合金犧牲陽極保護半徑如圖3-10所示為陽極與扁鋼間距為0.1m時不同陽極數的保護長度。從圖3-4中可以看出，隨著陽極數量的增加，陽極所能達到的保護半徑增大。在試驗持續(xù)運行的時間內，隨著時間的延長，保護半徑呈現逐漸增大趨勢，并在15

50、0h左右達到基本穩(wěn)定。如圖3-11所示為陽極與扁鋼間距為0.2m時不同陽極數的保護半徑。從圖3-5可以看到當陽極數量增加時，保護長度有所增大，并且在保護時間延長時，保護半徑存在一定的波動，但整體呈現增大趨勢。由圖3-12可見，鎂合金與扁鋼間距為0.3m時，保護半徑的變化趨勢與Mg-Fe距為0.1m和0.2m時基本相同，在100h左右達到基本穩(wěn)定值。 圖3-10Mg-Fe距0.1m保護長度 圖3-11Mg-Fe距0.2m保護長度 (含水量25%+填料包) (含水量25%+填料包) 圖12 Mg-Fe距0.3m時保護長度(含水量25%+填料包)3.3 數據分析3.3.1 鎂合金運行環(huán)境分析由圖3-

51、13可以明顯的看出，無論鎂合金數量多少，鎂合金在外裹填料包的運行環(huán)境下，保護半徑均大于不加填料包時的半徑，約為不加填料包時保護半徑的1.32.9倍。而且保護半徑能較快達到穩(wěn)定水平。這是因為填包料可以使鎂合金表面均勻溶解，可使得鎂的氧化物很快脫落，不至于形成表面的氧化物硬殼，促進鎂合金的作為陽極氧化而產生較多電子，提供給作為陰極的扁鋼，從而對扁鋼進行更好的陰極保護。所以在進行現場犧牲陽極陰極保護時需在鎂合金外包裹填料包。 a.Mg-Fe距0.1m時保護半徑 b. Mg-Fe距0.2m時保護半徑 c .Mg-Fe距0.1m時保護半徑； 圖3-13為不同鎂合金運行環(huán)境的保護半徑對比圖3.3.2 鎂合

52、金保護半徑的函數關系研究 表3-1 鎂合金犧牲陽極變化半徑與時間的函數關系所擬合數據名稱函數擬合圖函數關系2支Mg合金（Mg-Fe距0.1m）函數模型：漸進分布函數4支Mg合金（Mg-Fe距0.1m）函數模型：漸進分布函數6支Mg合金（Mg-Fe距0.1m）函數模型：漸進分布函數2支Mg合金（Mg-Fe距0.2m）函數模型：漸進分布函數4支Mg合金（Mg-Fe距0.2m）函數模型：漸進分布函數6支Mg合金（Mg-Fe距0.2m）函數模型：漸進分布函數2支Mg合金（Mg-Fe距0.3m）函數模型：漸進分布函數4支Mg合金（Mg-Fe距0.3m）函數模型：漸進分布函數6支Mg合金（Mg-Fe距0.3m）函數模型：漸進分布函數對Mg-Fe距為分別為0.1m、0.2m、0.3m時，且外加填料包的鎂合金犧牲陽極的保護半徑隨時間的變化趨勢進行函數擬合，如表3-1。由表3-1可以看出：在實驗室試驗條件及實驗運行時間段內，鎂合金犧牲陽極與運行時間的關系均符合漸進分布函數，隨鎂合金數量