1.5 阴极保护
1.5.1 阴极保护的原理
阴极保护是一种控制金属电化学腐蚀的保护方法。在阴极保护系统构成的电池中，氧化反应主要集中发生在阳极上，从而抑制了作为阴极的被保护金属腐蚀。阴极保护是一种基于电化学腐蚀原理发展的一种电化学保护技术。
每种金属处于电解质溶液中，都有一个电极电位，当两种不同金属处于同一电解质溶液时，由于电极电位值的不同，就构成了腐蚀原电池，电位较负的金属成为阳极，电位相对较正的金属成为阴极。如远洋船舶的船体是钢，推进器是青铜制成的，铜的电位比钢高，所以电子从船体流向青铜推进器，船体受到腐蚀，青铜推进器得到保护。
1.5.2 牺牲阳极保护
在腐蚀电池中，阳极腐蚀，阴极不腐蚀或腐蚀极小。基于这一原理，以牺牲阳极优先溶解，使金属结构成为阴极而实现保护的方法称为牺牲阳极法。
常用的牺牲阳极有锌及锌合金、铝合金和镁合金三大类。
锌是一种普通的金属，原子序数30，原子量65.37，密度7.14g/cm3，化合价为2，熔点419℃。锌的标准电极电位为-0.76V（SHE），比铁负，高纯锌在海水中的稳定电位是-0.82V（SHE），相对于钢铁和常用金属结构材料来说是负电性的，是理想的牺牲阳极材料。锌在低电阻土壤和海洋环境中广泛用作牺牲阳极使用，在高电阻率的土壤和淡水中不太适用。杂质对锌的阳极行为和自溶性有很大影响。因此锌阳极的开发主要通过两个途径：一是采用限制杂质含量的未合金化锌；二是采用低合金化的锌合金，同时减少其杂质，比如Zn-Al-Cd三元锌合金和Zn-Al二元合金。
铝是典型的轻金属，原子序数13，位于镁和硅之间，原子量26.98，化合价为3，密度2.72g/cm3，熔点660℃。铝的标准电极电位为-1.66V（SHE），在海水中的稳定电位约为-0.53V（SHE）。铝的理论电容量为2970A·h/kg，是锌的3.6倍，镁的1.35倍。铝是自钝化金属，表面会生成钝化膜，此时铝电位较正，因此未合金化的铝是不能作为牺牲阳极的。几种铝合金牺牲阳极中都添加了锌，比如Al-Zn-Hg合金、Al-Zn-In合金和Al-Zn-Sn合金，其中Al-Zn-In合金是目前应用最广泛的铝合金牺牲阳极。铝合金大多用于海水环境金属结构或原油储罐内底板的阴极保护。埕岛浅海油田对铝牺牲阳极浸海四年、六年和七年后进行检查，由于污损生物的影响，铝阳极保持原样，而钢桩则发生了局部腐蚀。南海涠州岛油田1年、5年和10年检测结果也表明海生物污损对牺牲阳极起到了阻碍作用。
镁是典型的轻金属，原子序数12，原子量24.31，密度1.74g/cm3，化合价2，熔点651℃。镁的标准电极电位为-2.37V（SHE）。镁阳极的特点是相对密度小，电极电位很负，极化率低，对铁的驱动电压很大。其主要缺点是电流效率很低，一般只有50%左右；而且碰撞容易产生火花，限制它在高安全性场合的应用。镁作为牺牲阳极主要有高纯镁、Mg-Mn合金、Mg-Al-Zn-Mn合金三大系列。高纯镁可以加工成带状阳极，应用于电阻率高的土壤和水中；Mg-Mn合金主要用于高电阻率环境中；Mg-Al-Zn-Mn合金表面溶解均匀，是土壤中应用最广泛的阳极材料。
以原油储罐罐底牺牲阳极阴极保护为例，设计步骤包括阴极保护面积（与沉积水接触的罐底与第一圈钢板上部）计算，保护电流密度及总保护电流，确定阳极总数量，根据牺牲阳极保护年限，确定单支阳极质量。一个10万立方米的原油罐，储油罐直径为80m；设计温度65℃；罐底板厚度：中幅板11mm，边缘板20mm，壁板32mm；罐底板材质为Q235A碳钢，边缘板、壁板为SV490Q。储罐罐底板阴极保护总面积为5425.92m2，其中罐底表面积为5024m2，底圈壁板距罐底板1.6m的表面积为401.92m2。阴极保护的参数见表1-8。阳极在罐内底板分布为6层，即分别为1块、12块、24块、36块、56块和84块，共213块。阳极直接焊接在罐底的表面，在罐底上环状均匀布置。
表1-8 10万立方米原油储罐罐内底板阴极保护参数
1.5.3 外加电流阴极保护
外加电流阴极保护，又称强制电流阴极保护。它是根据阴极保护原理，通过外加直流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极接被保护物，将电源的正极接至辅助阳极。在电流的作用下，使被保护物对地电位向负的方向偏移，从而实现阴极保护。外加电流阴极保护主要应用于淡水、海水、土壤、碱及盐等环境中金属设施的防腐蚀。
外加电流阴极保护系统包括三个主要组成部分，直流电源、辅助阳极、被保护金属结构物（阴极）。此外，还有参比电极、检测站、阳极屏蔽、电缆和绝缘装置等。
外加电流阴极保护系统实质上是一个电解池。作为该电解池阳极的辅助阳极应该耐受环境电解质的腐蚀、电解溶解和阳极氧化的电化学作用。常用的辅助阳极的材料有高硅铸铁、石墨、铅银合金、铅银微铂、镀铂钛、铂铌丝、铂铱合金等等。在外加电流工作时，阳极排出较大的电流，周围被保护结构的电位会很负，以致产生析氢现象，使附近的防腐涂层受到破坏。为了防止这种现象的发生，确保阴极保护效果，辅助阳极周围要涂装屏蔽层，无溶剂环氧涂料是较好的阳极屏蔽材料。
船舶（水下部位）浸在海水中会产生电化学腐蚀，在其腐蚀过程中，微观电池的阳极区被腐蚀，而阴极区不受腐蚀，外加电流阴极保护如图1-19所示，就是将船体接恒电位仪的阴极端（同时将舵及推进器接地连成一个阴极体），辅助阳极接恒电位仪阳极端，通以直流电流，使船体表面阴极极化，利用参比电极检测及控制船体表面的极化电位，当钢板极化电位达-0.80V（相对于Ag-AgCl参比电极）时，船体就得到保护。
图1-19 船体外加电流阴极保护示意图