MMO贵金属氧化物辅助阳极使用研究范文

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摘要：mmo贵金属氧化物辅助阳极由于其优越的电导性和微溶性的特点被广泛应用于外加电流阴极保护阳极地床中，随着阴极保护技术的发展，区域阴极保护越来越普及，辅助阳极的寿命成了制约系统的关键因素。本文着重讨论分析大电流情况MMO贵金属氧化物辅助阳极的失效分析及使用寿命。

关键词：MMO贵金属氧化物辅助阳极　使用寿命　保护电流密度

前言

外加电流阴极保护是利用外加电流，使被保护金属结构的整个表面变为阴极。若对金属设备进行外加电流阴极保护时，将金属用导线连接到一外加电源的负极，把另一辅助阳极接到电源的正极。此时，通过辅助阳极的电流在流经电解质溶液后，主要集中于金属的阴极部分，使金属发生阴极极化，该电流通过阴极再流回电源，从而使金属的总电位降低。如果所加的保护电流足够大时，则被保护结构上原来的阳极不再溶解，此时金属表面上只发生阴极还原反应，外加即为达到完全保护。辅助阳极先后经过了钢铁阳极、石墨阳极、高硅铸铁阳极、金属氧化物涂层阳极等发展阶段，随着新材料、新技术的应用，辅助阳极从电流效率到使用寿命都有明显提高。金属氧化物涂层阳极由于采用钛金属为基体，表面以高催化活性的铂族金属氧化物为涂层，具备了良好的导电性和较小的表面输出电阻，其本身不受介质的侵蚀；并且容易加工等优点。可以使其适于不同的环境，如海水、淡水、土壤等介质中。阳极一般在地床中电流密度为100A/m2，使用寿命为20年，其消耗率为0.1mg/A。在电流密度为5000A/m2，也不会出现钝化被溶解现象。对浅表层、深层土壤保护用阳极，在100A/m2情况下，使用寿命大于20年，它是目前理想的辅助阳极材料。优点：（1）电极损耗的速率小，尺寸稳定；（2）钛阳极采用新型的材料和结构，大大减轻其重量，方便日常的操作；（3）使用寿命长，且基体可重复使用，节约成本；（4）涂层的电阻率低，约为7～10Ω.m；（5）极耐酸，且析氯极化率≤40mV。

2现场MMO贵金属氧化物阳极存在的问题

由于MMO贵金属氧化物辅助阳极的具备体积小、电流大、微溶、重量轻等优点，该型阳极经常用于管道内壁外加电流阴极保护中，实际使用效果也比较理想。宁波某厂区自2011年大规模采用MMO贵金属氧化物作为辅助阳极保护循环水管道，全厂区共设置辅助阳极300多只。由于循环水管道表面仅采用刷漆方式进行基础防护，管道需要的保护电流密度大。经逐一测试，单只辅助阳极输出电流普遍较大，最大的输出可达0.9A。在对现场使用的MMO贵金属氧化物辅助阳极季度例行检查中发现，辅助阳极接水电阻存在增大趋势，对部分运行周期超过2年的辅助阳极取出检查发现阳极表面贵金属氧化物涂层损失严重，部分已露出钛基材，如图1所示。由此可以推断出接水电阻变大的原因是氧化物涂层消耗露出基材，在阴极保护系统的影响下钛基材表面发生钝化形成二氧化钛钝化膜。钝化膜的形成能有效抑制基材的腐蚀，但是导电性也随之下降。氧化物涂层的损耗是由大致以下几方面因素造成的：（1）氧化物涂层附着力差，受水流冲刷影响氧化物涂层损失；（2）辅助阳极输出电流大，造成的涂层消耗；（3）外包装、搬运过程以及安装过程造成的磨损、划伤。陕西某场站采用区域保护对数口油井套管进行保护，单台恒电位仪输出电流100A，使用3年后发现阳极井接地电阻由0.8Ω升高至3Ω，恒电位仪输出超量程。在排除了气阻等因素后，通过对单只辅助阳极的数据测量，发现3、4、7号原接地电阻低的辅助阳极，接地电阻明显升高，基本判断是辅助阳极氧化物涂层消耗所致，而接地电阻变化趋势是达到设备输出上限，导致外加电流阴极保护系统失效。通过对影响使用寿命的因素：涂层性能的影响、阴极保护电流密度的影响、基材的影响进行研究分析，以提高MMO贵金属氧化物辅助阳极的使用寿命。现场安装及产品性能应从生产和流通环节对该型产品提出要求，下面将着重讨论如何在现有工况情况下通过正确材料选型，使阳极的使用寿命与我们的设计寿命及预期相吻合。

3阴极保护电流对于辅助阳极的影响

辅助阳极寿命计算是阴极保护系统设计的基本参数，如何有效的计算出辅助阳极的使用寿命，对设计的准确性关系非常大。常规设计中，由于贵金属氧化物MMO辅助阳极的消耗率极低，往往忽略其寿命的计算，在这里我们试着用常规计算方法对辅助阳极的寿命进行评估。Ta为辅助阳极设计寿命，单位年，a；Wa为辅助阳极有效成分总质量，单位Kg；wa为辅助阳极的消耗率，单位Kg/A.a；I为保护电流，单位A；K为辅助阳极利用系数，取0.7～0.85；以规格φ0.035m，L0.05m的辅助阳极为例，使用寿命情况如表1所示。通过表1可以看出输出电流大小是影响辅助阳极使用寿命的重要因素，实际使用过程中应对辅助阳极的输出电流定时测试。

4金属钛的特性对阴极保护的影响

钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属，介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。辅助阳极基材钛的主要氧化物二氧化钛在非紫外光的环境下一般是不导电的，氧化物的分层也是二氧化钛（白色）在表层，一氧化钛和三氧化二钛在底层。由此可见，辅助阳极氧化层磨损露出基材的部分是不导电的。在宁波现场取出的辅助阳极与新辅助阳极在同样实验环境下的接水电阻的明显变化也能侧面验证这种变化，如表2所示。

5结论

根据宁波现场的情况和其他厂区MMO贵金属氧化物辅助阳极的失效分析和理论计算，可以得出以下结论：（1）大电流用MMO贵金属氧化物辅助阳极，寿命的计算是非常重要的；（2）贵金属氧化物涂层附着力需要关注，同时，运输过程要轻拿轻放，并且有防护套；（3）流动海水中应用的MMO贵金属氧化物辅助阳极，应注意迎水面辅助阳极氧化物涂层的磨损问题，设计过程中辅助阳极的利用率应采用实际需求0.85×0.5的方式，可以通过合适设置位置、增加氧化物涂层厚度、变换辅助阳极形状等问题解决；（4）土壤中使用的MMO贵金属氧化物辅助阳极安装过程中要充分考虑阳极体的磨损，可采用预包装式，如采用直接下井的方式需明确焦炭粒径、设置阳极定位器、井中适当注水等方式减少对阳极体氧化层的伤害。由于阴极保护设计寿命一般都比较长，辅助阳极的维修和更换成本较高，MMO贵金属氧化物阳极使用寿命的精确测试及推测能在节省成本的同时保证阳极的使用寿命，具有现实意义。

参考文献

[1]胡士信.阴极保护工程手册[M].北京:化学工业出版社,1999:224-225.

作者：马光皎 刘晓龙 丁继峰 李军威 单位：青岛钢研纳克检测防护技术有限公司