外加电流阴极保护用钛阳极的制备方法和检测方法

随着工业的发展，金属材料的用量越来越多，腐蚀与腐蚀防护问题越来越受到重视。阴极保护是一种有效的保护金属不被腐蚀的方法，阴极保护方法分为牺牲阳极的阴极保护方法和外加电流阴极保护方法。钛阳极是外加电流阴极保护常用的辅助电极，文中主要介绍钛阳极的制备方法和强化寿命检测方法，钛阳极的使用寿命关系到整个阴极保护体系的保护年限，正确评判钛阳极使用寿命是科研工作者长久以来关心的问题。国内外文章很少介绍钛阳极的寿命评判方法，文中通过相关文献资料以及笔者的长期实践，给出了3种常用介质环境的钛阳极强化寿命检测方法。同时，通过对常用的几种外加电流阴极保用辅助电极的比较，说明了钛阳极是外加电流阴极保护中最有前途的辅助电极 。

1、钛阳极制备方法

钛阳极是以钛为基体，表面涂敷贵金属氧化物涂层的一种不溶性电极，外加电流阴极保护用钛阳极根据介质环境大致分为3类：土壤或淡水介质环境、钢筋混凝土环境、海水介质环境。由于使用环境介质不同，钛阳极的涂层体系也不同。在土壤或淡水介质中由于不存在氯离子或氯离子含量比较低，阳极主要发生析氧反应，钛阳极涂层体系以氧化铱 为主。在钢筋混凝土介质中氯离子含量一般不高，阳极上主要发生的也是析氧反应，采用的钛阳极涂层体系也以氧化铱为主。氧化铱在析氧环境中既有良好的电催化活性，又有极好的耐蚀性。在海水介质中氯离子含量较高，阳极上发生的主要是析氯反应，阳极涂层体系以氧化钌为主。电极制备工艺如下：基材选用工业纯钛TA1或TA2，基材经除油、喷 砂酸洗后晾干备用，氯铱酸或三氯化钌和其他金属盐按照一定比例溶解在正丁醇和异丙醇溶剂中，配成涂刷液，用毛刷刷于处理好的钛基体上，在200℃烘干，然后在400～500℃ 的电阻炉中烧结10 rain，重复以上过程直至所配涂刷液刷完为止 。

2、钛阳极强化寿命检测方法

外加电流阴极保护用钛阳极的强化寿命要求一般都在20 a以上，阳极的寿命检测是非常重要的。

由于阳极的实际使用寿命要长达20 a以上，而此种阳极几乎无质量损失，所以阳极的寿命不能用实际使用的电流密度通过外推法算得，只能采用大电流测强化寿命，直到通过的电荷量达到标准。下面分别介绍在土壤或淡水介质环境、钢筋混凝土环境、海水介质环境中钛阳极强化寿命的检测方法。

2.1 土壤或淡水环境中钛阳极强化寿命检测方法

如下：电解质用浓度为1mol/L的Na₂SO₄溶液，电流密度为10000 A／m ，水浴温度保持在(30±5)℃。检测装置如图1所示

强化寿命检测完成时，在10000A/m2的电流密度下，阳极表面通过的总电荷密度和阳极实际使用寿命期限内阳极表面通过的总电荷密度有如下关系：

j_at_a≥j_st_s    (1)

式中： j_a为强化寿命检测中阳极表面的电流密度，A/m²；j_s为实际使用过程中阳极表面的电流密度，A/m；t_a为强化寿命，h;t_a为实际使用寿命，h。

2.2 钢筋混凝土环境中钛阳极强化寿命检测方法

加速阳极寿命检测不能应用于混凝土中，大电流会导致混凝土的提早破坏，加速实验必须在水溶液中完成。参考NACE标准 ，阳极寿命检测在质量分数为3％的NaCl溶液、4％的NaOH溶液和模拟孔隙液中进行。模拟孑L隙液的成分配比为：每升溶液中含有NaOH 26.3g，KC1 10.74g．Ca(OH)：2.15g。进行模拟孔隙液环境检测前，应先注入符合标准ASTM C 788的砂，再注人配好的模拟孔隙液。NaC1和NaOH环境的检测不需要加人砂，所用的化学药品均为化学纯试剂级。检测过程中溶液的蒸发损耗用去离子水补充。检测装置 如图1所示。

强化寿命检测完成时，在实验的电流密度下。阳极表面通过的总电荷密度和阳极实际使用寿命期限内阳极表面通过的总电荷密度的关系见式(1)。

2.3 海水介质中钛阳极强化寿命检测

海水介质强化寿命检测条件：电解液为0.5 mol／L的H2SO4溶液；电解液温度为(40±5)℃，电流密度为20kA/m2 。海水介质中，钛阳极一般实际使用电流密度300~600A/m2，电极寿命要求10 a左右，钛阳极强化寿命要求大于150h。

3、钛阳极和其他外加电流用辅助电极的比较

辅助电极是外加电流阴极保护中的重要部件，良好的辅助电极应当具有如下性质：1)良好的导电性能，工作电流密度大，极化率小；2)在苛刻的环境中，有良好的化学和电化学稳定性，消耗率低、寿命长；3)机械性能好，不易损坏，便于加工制造、运输和安装；4)综合保护费用低。废钢铁阳极、石墨阳极、高硅铸铁阳极、柔性阳极、钛阳极都可作为外加电流阴极保护用辅助电极。

废钢铁阳极是早期外加电流阴极保护用阳极材料，其来源广泛，价格低廉。由于溶解性阳极表面很少析出气体，因而在地床中不存在气阻问题。其缺点是消耗速率大，在土壤中为5～10 kg／(A·a) ，使用寿命较短，多用于临时性保护或高电阻率土壤中。

石墨阳极是由碳素在高温加热后形成的晶体材料，通常用石蜡、亚麻油或树脂进行浸渍处理，以减少电解质的渗入，增加机械强度。石墨阳极价格低廉，易于加工，但软而脆，在运输安装时易于损坏，随着新的阳极材料的出现，在地床中的应用逐渐减少。高硅铸铁阳极也是常用的一种辅助电极，当阳极电流通过时在其表面会发生氧化，形成一层薄的SiO：多孔保护膜，可阻止基体材料的腐蚀，降低阳极的溶解速率，具有良好的导电性能。高硅铸铁硬度很高，耐磨蚀和冲刷性好，但不宦机械加工，只能铸造成型，另外脆性大，搬运和安装时易损坏 。

柔性阳极是在铜芯上包覆导电聚合物而构成的连续性阳极，也称柔性阳极或缆形阳极，其中铜芯起导电作用，确保了纵向低电阻，可以把电流传到很远；而导电聚合物确保了横向有一较高电阻接地，使铜芯中的电流慢慢地“滴入”地中。聚合物阳极在土壤中使用时，需在其周围填充焦碳粉末而构成阳极地床，其在地床中最大允许工作电流为52mA/m，其工作电流密度很低，可靠近被保护结构物铺设连续地床，因此可提供均匀、有效的保护。聚合物阳极安装简便，特别适于裸管或涂层严重破坏的管道、受屏蔽的复杂管网区、中小型储罐的保护以及高电阻率的土壤中。柔性阳极早期的主要应用是为解决覆盖层老化的旧管道阴极保护问题，现在在罐底的阴极保护中也有应用，但导电聚合物容易老化，其寿命不是最长，加上投资较大、埋设较深，因而目前较多罐底工程没有采用。

混合金属氧化物阳极是在钛基体上包覆一层具有电催化活性的混合金属氧化物而构成，最早应用于氯碱丁业，后来推广应用于其它工业，包括阴极保护领域。电极表面为高催化活性的氧化物层所覆盖，因此具有极优异的物理、化学和电化学性能，极化小并且消耗率极低。若其表面有轻微损坏，在其基材表面就会生成一种惰性的不导电的氧化物，这样阳极的整体性能不会减弱。通过调整氧化物层的成分，可以使其适用于不同的环境，如海水、淡水、土壤中。目前大型储罐底大多数均采用此阳极，它已成为目前最为理想和最有前途的辅助阳极材料 。

4、结论

钛阳极是外加电流阴极保护常用的一种辅助电极，随着钛阳极技术的不断进步，已设计出越来越多的适合各种环境使用的阴极保护钛阳极，钛阳极的制备方法采用热分解方法，钛阳极的涂层成分要根据使用环境进行选择，析氧环境选择以二氧化铱为主的涂层体系，析氯环境选择以二氧化钌为主的涂层体系。不同的使用环境，使用不同的钛阳极，强化寿命检测方法也不同。钛阳极由于其易于加工成各种形状，电极表面涂敷有高催化活性的贵金属氧化物，具有优异的物理、化学和电化学性能，使用寿命长，通过调整表面电催化活性氧化物的成分，可以应用于各种不同的环境，目前已成为外加电流阴极保护用最为理想和最有前途的辅助阳极材料。

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