摘要：金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态。在海水脱硫系统中，金属腐蚀过程一般为电化学腐蚀。在印度蒙德拉电站项目海水脱硫系统中，为有效抑制海水对金属设备的电化学腐蚀，引进了阴极保护系统，本文从阴极保护系统的原理、系统设计及问题处理等方面阐述阴极保护系统如何在海水脱硫系统中应用。
关键词：金属腐蚀、海水脱硫、阴极保护
1、金属的腐蚀原理
金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转入氧化（离子）状态。这种腐蚀过程一般通过两种途径进行：化学腐蚀和电化学腐蚀。
化学腐蚀：金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。
电化学腐蚀：金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触 , 通过电极反应产生的腐蚀。在海水环境下，电化学腐蚀是金属腐蚀的主要现象，如右图。
2、阴极保护原理
阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段。金属—电解质溶解腐蚀体系受到阴极极化时，电位负移，金属阳极氧化反应过电位减小，反应速度减小，因而金属腐蚀速度减小，称为阴极保护效应。两种阴极保护法：外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。
2.1 牺牲阳极阴极保护
将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。
牺牲阳极阴极保护就是在金属构筑物上连接或焊接电位较负的金属,如铝、锌或镁。阳极材料不断消耗,释放出的电流供给被保护金属构筑物而阴极极化，从而实现保护。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型（电流一般小于1安培）或处于低电阻率环境下（电阻率小于100欧姆.米）的金属结构。
2.2 外加电流阴极保护
通过外加直流电源以及辅助阳极，是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，使被保护金属结构电位低于周围环境。对于阴极保护电源，基本的要求是具有恒电位输出、恒电压输出、恒电流输出功能。阴极保护电源还要求具有同步通断功能、数据远传、远控功能。
通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较低的电位而使腐蚀速率降低。外加电流阴极保护是通过外加直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化。该方式主要用于保护大型或处于高电阻率介质中的金属结构。
3. 阴极保护系统在海水脱硫系统中应用及问题处理
阴极保护是一种控制金属电化学腐蚀的有效方法，它有效弥补了涂层缺陷而引起的腐蚀，能大大延长设备的使用寿命。脱硫系统中阴极保护通常是牺牲阳极法和强制电流法的综合应用，下面分别对其主要组成部分进行简要说明：
恒电位仪：在强制电流法中，给需保护金属体提供连续可调的阴极保护电流，将交流电转换为直流电输出。
辅助阳极：在强制电流法中，用来使恒电位仪所提供的阴极保护电流形成回路。
参比电极：是进行阴极保护系统测量时的参照极。 用参比电极的主要种类有：饱和甘汞参比电极（电极构成为Hg / HgCL2、饱和KCL）、饱和氯化银参比电极（电极构成为Ag / AgCL2、饱和KCL）、饱和硫酸铜参比电极（电极构成为Cu / CuSO4、饱和CuSO4）等。
牺牲阳极：常用的主要有三大类：镁基（包括高纯镁）牺牲阳极、锌基（包括高纯锌）牺牲阳极、铝基牺牲阳极，主要用于强制电流不宜和不能使用的地方。
电缆：主要有阴极电缆、阳极电缆、接零电缆、均压电缆、参比电缆、接阴电缆等，主要用于连接阴极保护系统的各组成环节。
控制台：主要是对阴极保护系统进行统一管理和集中控制。
3.1 使用阴极保护的设备及系统设计
从常用阴极保护的使用原理来看，是需要满足一定电解质的要求，所以可以设计阴极保护的接触海水或是埋于土壤中的设备，至于空气中设备，阴极保护难以实施。
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在脱硫系统中，我们需要考虑施加阴极保护的设备如下：
海水泵的腐蚀防护
拦污栅的腐蚀保护
海水滤网和海水闸的保护
海水管道的腐蚀防护
拦污栅和海水滤网防腐主要依靠防腐涂层、设置腐蚀余量及配备常用备件，海水管道可以采用GRP材质或橡胶内衬加外部缠裹，所以项目运行中可以不对这部分设备设置阴极保护。海水泵作为海水供应系统中的重要设备，更换和维护成本很高，而且泵长期在海水环境中使用，所以在设计中可以考虑增加阴极保护系统。
3.2 系统调试及常见问题
3.2.1 系统调试：由于泵的设备本身是动态的、腐蚀介质也是动态的（开泵、停泵），因此单一的外加电流阴极保护控制方法显然是不能满足工作需要的。目前控制方法主要有手动控制和自动控制。自动控制又分为恒电压，恒电位方法，他们是为满足现场不同情况的需要而出现的。因此海水泵外加电流阴极保护系统安装完毕后，现场调试是一项非常重要的工作，直接关系到外加电流阴极保护系统能否最大限度发挥应有作用。调试过程中需要做的几项基本工作如下：
保护电位的确定：电源控制柜电位应稳定在： 0~+0.28V(高纯锌或锌合金电极)范围。或阴极保护极化电位差为100~300mV。即阴极极化电位（通电后电位）比自腐蚀电位（通电前电位）移动100mV~300mV即可。总输出电流为5~25A，输出电压小于20V。
制定调试数据表格，做好调试记录，表格见附表。
根据测量数据，随时发现安装方面的问题和不足，并及时进行补救处理。
总结分析调试测量数据，确定外加电流阴极保护系统最佳控制参数。
3.3 蒙德拉项目中阴极保护出现的问题
蒙德拉项目在吸收泵和稀释泵都安装了阴极保护，泵壳外壁使用牺牲阳极，内壁使用外加电流。
经过热调及试运行后发现两个问题：
3.3.1 现场实测自然电位与设计电位不符
这一问题是阴极保护系统调试过程中的普遍问题之一，若不能解决此问题，则无法判定阴极保护系统在恒电位的情况下是否有效。因项目中阴极保护系统不带智能修正功能，而需保护金属体相对于参比电极的自然电位，则可能出现随着温度与液位的变化偏移或是各个电极逐渐老化的情况而产生偏移，致使系统在厂家推荐的恒电位运行下不能正常工作。
解决方案：根据即阴极极化电位（通电后电位）比自腐蚀电位（通电前电位）移动100mV~300m以及运行时每个电极电流在1A以上即可以认为系统在正常工作，则现场将系统自动控制模式调为恒电压调节，当设置电压在5V时，可保证每个电极的电流在1A以上。
3.3.2 电压表有指示而电流表无指示或较低。
在恒电压调节下，系统依然出现和电流表无电流的现象或者多个辅助阳极电流合值很低的现象。经过现场排查发现：
A.吸收泵辅助阳极烧坏
问题描述：吸收泵共计7个辅助阳极，根据厂家提供的计算，当电极都投入工作，则总电流在12A时可起到保护泵体的作用。所以选择的电极额定电流为3A，而实际工况是当泵运行时，每个电极都能充分与海水接触，但是当泵停运时，安装在泵体上方的电极将无法接触到海水，那么随着海水液位的变化，致使投入运行的电极数很少，而施加的电压和电位变化很小，则使得总电流一致的情况，正常运行的电极过流而烧坏，没有投入运行的电极则完好。
问题分析：从前面的问题描述可以看出，问题出现的原因主要为两点；1）液位过低，导致可能出现少数电极投入运行；2）系统未设置单个电极过流保护。
解决方案：更换烧坏的电极，单独为每个电极设置保险丝。
B.稀释泵辅助阳极电缆断线
问题描述：由于稀释泵受海水潮位影响较大，泵池进水口设计为一个方孔，并且液位和潮位形同。则会出现在泵池液位较低的情况下，泵体周围产生的水流冲击较大；如果液位低过了方孔的上沿，会使泵池进水口流速激增，此时泵体周围的水流冲击就更大。而现场电缆的固定不能适用目前现场的工况，所以导致电缆被海水冲断。
问题分析：从现场看稀释泵的电极损坏的现象和吸收泵不一样的主要原因是泵池的设计不同，具体分析原因为：1）潮位变化大，使泵运行在液位低时使泵体周围水流冲击较大；2）泵池的进水口设计致使进水口的水流流速过大，增加了泵体周围的水流冲击；3）阴极保护电缆的硬度过大，容易导致结合此处断裂；4）电缆的固定形式过于简单，不能满足现场水流冲击。
解决办法；只能更换电极，更换加固方案。
3.4 结论
阴极保护技术作为一项效果好、应用领域广的防腐蚀技术，其使用效果已经得到了各领域的认可，而且随着阴极保护技术的进步，并随着众多领域对腐蚀控制的重视，经过我们广大防腐蚀工作者的努力，阴极保护将在我国得到更大发展，为更多构筑物、设备提供防腐蚀保护。
脱硫系统海水泵的阴极保护系统若能在设计过程中严格控制，依然具有较高的实用性。
参考文献
[1]《化工机械工程手册》化学工业出版; 2003版.
[2]《金属的腐蚀与防护》国防工业出版社; 2008年第1版.
[3]《腐蚀工程手册》中国石化出版社, 2003.
论文作者:孙立杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/16
标签：阴极论文; 电极论文; 电位论文; 阳极论文; 电流论文; 海水论文; 金属论文; 《电力设备》2017年第19期论文;