一种外加电源的阴极保护系统技术方案

本发明专利技术涉及电化学技术领域，更具体地，涉及一种外加电源的阴极保护系统。用于解决现有的阴极保护系统，在遇到工作环境中有杂散电流干扰时，系统会失去工作效能的问题。此种外加电源的阴极保护系统包括四个子系统，即钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述四个子系统通过钢构件连接在一起，所述钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统和钢构件排流控制系统均包括一种应用在电解液环境下的法拉第笼。以实现在电解液环境中，即使存在各种杂散电流干扰，该系统下的阴极依然可以得有效保护，避免遭受腐蚀的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
一种外加电源的阴极保护系统
本专利技术涉及电化学
，更具体地，涉及一种外加电源的阴极保护系统。
技术介绍
为了对抗工作在地下或水下环境中的钢铁件的表面腐蚀，已经进化出了阴极保护技术和阳极保护技术这两种不同方向的技术路线。本专利技术中以阴极保护技术为主来进行叙述，阴极保护系统又可分为牺牲阳极阴极保护系统和外加电源阴极保护系统两种。以铁元素在自然淡水环境下的条件为例，是否发生腐蚀，可以从Fe-H2O-pH图(见图5、图6)上判断，它主要分为三类腐蚀状态的区域：免蚀区；腐蚀区；钝化区。免蚀区属于阴极保护技术体系，钝化区属于阳极保护技术体系。在金属腐蚀的理论体系中，腐蚀是指金属材料在电解液环境下，金属将电子传递给电解液后，金属原子转变为金属离子的过程。遵循该定义，本专利技术中认为导致在电解液环境中的金属材料会出现腐蚀，是符合法拉第第一定律(电解定律)的定义。在电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。当金属原子的电子，在极化电位的驱动下，穿透了金属和电解液之间的双电层界面的阻隔，从金属流入电解液环境中，此时该金属材料表面上发生了阳极氧化反应，即发生腐蚀。反之如果电解液中有电子穿透了金属材料表面和电解液之间的双电层界面阻抗，进入金属材料中，此时该金属材料表面上发生了阴极还原反应，发生电镀现象。即被极化的金属材料在电解液环境下，极化电流的从金属材料流入环境电解液，才是金属在电解液环境下发生腐蚀的决定性条件。随着城市的发展，各种地铁、地下电力线缆大大增加，这些设备在运营中将不可避免地产生流经大地的杂散电流。这些杂散电流(或称迷流)不仅会对地下或水下金属材料的裸露表面产生严重的电化学腐蚀作用、极大的加快了腐蚀速度外，还会对阴极保护系统的工作效果造成很大的破坏性影响，导致阴极保护系统工作效果欠佳，甚至完全失效。在地下或水下的环境中出现了一个杂散电流干扰源后，由于电解液存在一定的电导率，就形成了一个以干扰源为中心、向四周扩散、电强度逐步衰减的球形电场，最终衰减为大地0电位，其影响可以达到几十米甚至几千米。当存在多个、多样的干扰源，各干扰源形成的球形衰减电场会相互影响耦合，最终形成了在不同的位置点、不同时间点，电解液的内电位均不相同的环境电场E环。在地下或水下的环境中工作的钢构件，当表面的绝缘防腐层出现破损裸露点后，环境电场E环就会形成从这些裸露点处流入或流出钢构件的电流，同时使得钢构件的电位E钢发生改变；而钢材料均属于极良好的电子导体，电阻率极小，各杂散电流干扰源在钢构件多个绝缘防腐层破损点处的博弈、耦合，最终导致钢构件电位E钢虽然随时间变化而变化，但在同一时间点在钢构件的各个位置点，其电位E钢却几乎完全相同，各个裸露位置点在钢构件侧的电位差别，在工程实践中完全可以忽略不计。环境电场E环通过钢构件各表面裸露点处的双电层界面，与钢构件电位E钢进行博弈，就最终决定了在不同位置的裸露点处，电流是从环境中流入钢构件(该裸露点被保护)，还是从钢构件流入环境中(该裸露点被腐蚀)。在本专利技术中，把上面所描述的、由于环境电场E环和钢构件上电位E钢的相互博弈，使得钢结构表面双电层有电流形成并穿过双电层，这些电流统称为一次电流。并在本专利技术中的叙述中规定从钢构件流入环境中为一次电流的正方向，正方向电流导致钢构件裸露点发生腐蚀；从环境中流入钢构件为一次电流的负方向，负方向电流使得钢构件裸露点被保护。另外由于环境电场E环的大小随位置变化而变化，故在环境电场E环电位相对高的裸露点处，形成电流进入钢构件，经由钢构件作为电通道后，又从环境电场V环电位相对低的裸露点处流出。在本专利技术中，把这种由于在不同位置、存在大小不同的环境电场E环，在环境电场E环电位高的裸露点处形成电流进入钢构件，把钢构件做电子通道后，又从另外一些环境电场E环电位低的位置点流出钢构件的电流，统称为二次电流(或平衡电流)。并在本专利技术中的叙述中规定从钢构件流入环境中为二次电流的正方向，同样正方向电流导致钢构件裸露点发生腐蚀；从环境中流入钢构件为二次电流的负方向，负方向电流使得钢构件裸露点被保护。经理论分析和实验检验，一次电流和二次电流是同时发生并相互叠加，且证实其流动规律遵循比尔霍夫电流定律，即所有从钢构件流出的一次电流和二次电流的总和，等于钢构件所有流入的一次电流和二次电流的总和。避免在钢构件表面绝缘层破损处出现正值一次电流的办法：一次电流是因为环境电场E环，与钢材料上电位E钢博弈的结果，故可以知道当环境电场E环高于钢材料上电位E钢时，一次电流都会是负值，裸露点就不会发现腐蚀现象。因此如果将钢构件上的电位E钢，调整得永远都比环境电场E环的最低电位还要低时,即可保证一次电流均为负值。在本专利技术中所采用的具体工程办法是，让一个电极与钢构件有电连接，通过调整该电极上双电容界面层金属侧的电位，因为导线和钢材料均有着极低的电阻，使得在工程应用的层面上可以视二者的电位相同，从而达到调整钢构件电位E钢的目的。如果将钢构件电位E钢，调整到比环境电场E环的最小值还低一定程度的时候，即可以确保钢构件表面上所产生的一次电流，全部为进入钢构件的正值一次电流，且所有进入钢构件的一次电流，将全部在该电极(极化体)处排出。避免在钢构件表面绝缘层破损处出现负值二次电流的办法：二次电流是因为环境电场中各个位置的电位E环都不相同，导致在环境电位高的地方，电流流入钢构件表面绝缘层破损点，形成负值二次电流；而又会在环境电位低的地方，这些流入钢构件的二次电流流出钢构件表面绝缘层破损点，形成正值二次电流。在本专利技术中所采用的具体工程办法是，让一个电极与钢构件有电连接，通过调整与该电极配套外加电源阳极上双电容界面层电解液侧的电位，从而使得环境电场E环的作用效应发生改变，即可确保钢构件表面处所产生的二次电流全部为负值，所有的正值二次电流将全部在该电极(排流体)处排出。而需要施加在该外加电源阳极的电位，与环境电场E环的最大值与最小值之间的差值相关。传统的阴极保护系统，认为钢材料电位，是决定钢材料是否腐蚀的决定性条件，是因为完全没有考虑到环境电场对极化电流流向的影响，或默认环境电场全部为0，故在理论和实践方面都存在很大不足和缺陷。
技术实现思路
本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种外加电源的阴极保护系统，用于解决现有的阴极保护系统，在遇到工作环境中有杂散电流干扰时，系统会失去工作效能的问题。根据在
技术介绍
中对腐蚀现象和法拉第第一定律(电解定律)的认知基础上，提出一种新型外加电源的阴极保护系统，该系统可以实现即使在电解液环境中存在各种杂散电流干扰，该系统下的阴极依然可以得有效保护，避免遭受腐蚀的技术效果。一种外加电源的阴极保护系统，包括四个子系统，即钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，用于测量钢构件的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差；所述钢构件排流控制系统，根据所述钢构件与环境之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，包括四个子系统，即钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统用于测量钢构件(6)的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差；所述钢构件排流控制系统，根据所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统获取的电流差，将所有流入钢构件的电流，从钢构件排流控制系统的排流体(53)排出；所述钢构件电位测量系统，用于获取钢构件(6)上的电位；所述钢构件电位控制系统，根据钢构件电位测量系统获取到的钢构件(6)的电位，将钢构件(6)上的电位控制在合适的数值范围内；所述四个子系统通过钢构件(6)连接在一起，所述钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统和钢构件排流控制系统，均包括一种应用在电解液环境下的法拉第笼(1)；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统包括测量试片(13)，所述测量试片(13)被充分极化，且其材质与钢构件(6)的材质相同，所述测量试片上留下面积一定且固定的裸露测量点。/n

【技术特征摘要】
1.一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，包括四个子系统，即钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统用于测量钢构件(6)的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差；所述钢构件排流控制系统，根据所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统获取的电流差，将所有流入钢构件的电流，从钢构件排流控制系统的排流体(53)排出；所述钢构件电位测量系统，用于获取钢构件(6)上的电位；所述钢构件电位控制系统，根据钢构件电位测量系统获取到的钢构件(6)的电位，将钢构件(6)上的电位控制在合适的数值范围内；所述四个子系统通过钢构件(6)连接在一起，所述钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统和钢构件排流控制系统，均包括一种应用在电解液环境下的法拉第笼(1)；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统包括测量试片(13)，所述测量试片(13)被充分极化，且其材质与钢构件(6)的材质相同，所述测量试片上留下面积一定且固定的裸露测量点。


2.根据权利要求1所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述法拉第笼(1)包括外金属纱网(5)、笼体(2)和内金属纱网(4)三层结构；所述外金属纱网(5)设置在笼体(2)的外壁上，所述内金属纱网(4)设置在笼体(2)的内壁上；所述笼体(2)为非导电性的非金属材料，所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)为导电性强的金属材料。


3.根据权利要求2所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)通过笼体(2)隔开，二者互不接触；所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)也不与其它导电性材料接触；所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)事实上接地。


4.根据权利要求3所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述笼体(2)上设置有孔洞(3),所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)上有孔眼，所述孔洞(3)和孔眼可保证电解液自由的进入或流出所述法拉第笼(1)；所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)设置有两层以上。


5.根据权利要求2至4任一项所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述内金属纱网(4)的内侧，外金属纱网(5)的外侧，设置有保护层；所述保护层为非导电性材料，并设置有孔洞。


6.根据权利要求1至4任一项所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述钢构件与环境之间的电流差和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴莉，
申请(专利权)人：张兴莉，
类型：发明
国别省市：广东;44