[发明专利]流电阳极和防腐蚀的方法

说明书

背景技术

腐蚀对世界基础设施的所有方面有巨大的经济和环境影响，从高速公路、桥梁和建筑物到石油和天然气，化学处理，以及水和废水系统。用于预防、维修和更换的腐蚀的全球直接成本的最近估计超过1.8万亿美元，或工业化国家的国内生产总值(GDP)的3％至4％。

2001年美国联邦公路管理局资助的腐蚀的成本研究，“美国的腐蚀成本和预防性战略”，确定了腐蚀的年直接成本为令人吃惊的2760亿美元。此项研究涵盖了大量的经济行业，包括运输基础设施、电力工业、运输和储存。

腐蚀的间接成本保守地估计等于直接成本，直接成本和间接成本共计超过6000亿美元或GDP的6％。该成本被认为是保守的估计，因为在此研究中仅使用了被文件记载的成本。除对公共安全造成严重损害和威胁之外，腐蚀扰乱作业并需要对故障器材进行大量的维修和更换。

在美国，道路和桥梁基础设施塌落，数以千计的桥梁被评为不安全的并需要更换或大修。这些情况中的许多，腐蚀在破坏安全性方面起着重要作用。防腐措施有助于阻止进一步的问题。正在采取措施处理美国的老化的基础设施。例如，在寻求联邦基金以建造新桥梁或改造现有桥梁时，2009年3月出台的众议院法案1682号决议，“桥梁寿命延长法案2009(Bridge Life Extension Act 2009)”要求国家提交一份用于阻止和减轻由腐蚀造成的损失的计划。

许多钢筋混凝土结构经受了过早的老化。混凝土嵌入的钢筋通过在其表面形成稳定的氧化膜进行最初的防腐蚀。这种膜或钝化层通过高碱性混凝土孔隙水与钢之间的化学反应形成。氯化物的存在会破坏由碱性条件提供的钝化。氯离子使金属局部去钝化并促进活性金属溶解。钢的腐蚀通常是可以忽略的，直到氯离子达到引发腐蚀的阈值。阈值浓度取决于许多因素，包括，例如，钢微环境、孔隙溶液pH、来自孔隙溶液中的其他离子的干扰、钢筋的电势、氧浓度和离子迁移率。氯化物充当催化剂，这是因为它在腐蚀反应中不被消耗，并保持活性以再次参与腐蚀反应。

对钢筋混凝土结构的损害主要由氯离子穿透混凝土到达钢筋周围的区域引起。氯化物的来源有许多，包括混凝土混合物的添加物，例如含氯的速凝剂。氯化物还可存在于所述结构的环境中，如海洋环境或除冰盐。氯化物的存在对混凝土自身没有直接的副作用，但是会促进钢筋的腐蚀。在钢筋上形成的腐蚀产物占据了比钢筋更大的空间，造成压力从内部施加于混凝土上。这种内部压力随着时间的推移而累积，并最终导致混凝土的开裂和剥落。钢筋的腐蚀还降低钢筋的强度并减小混凝土结构的承载能力。

除氯离子浓度之外，影响钢的腐蚀速率的其他因素包括pH、氧可获得性、钢的电势，以及周围的混凝土的电阻率。这些因素相互作用，以致对一个因素的限制未必阻止腐蚀，并且，接近一个因素的阈值水平的水平将与另一个因素协同作用，从而使腐蚀发生。例如，即使具有高的氯化物水平，如果没有足够的氧可用，腐蚀将不会发生。随着pH降低，腐蚀的氯化物阈值变小。在非常高的电阻率的混凝土中，由于离子流动的困难增大，不仅碳化作用和氯化物侵蚀减慢，腐蚀反应也降低。正如其他化学反应，温度也与腐蚀活性有关。

混凝土中的钢筋的阴极保护是为金属提供腐蚀保护的一种公认的方法，特别是当氯离子以显著的浓度存在于混凝土中时。阴极保护涉及电路的形成，其中钢筋充当与阳极电连接的阴极。当存在足够大的电势差时，阴极的腐蚀被降低或被阻止。

已知可通过外加电流阴极保护的方法和通过原电池的方法在阳极和阴极之间建立电势差。外加电流阴极保护涉及阳极、采用外部DC电源或AC电源施加的电流、以及整流器的使用。电源在可靠性和与持续电力消耗、监控和维修需求有关的成本的方面存在挑战。

还可通过原电池的方法提供阴极保护，其中，由于不同的材料形成牺牲阳极和阴极而产生电势。当金属连接至更活泼的或更阳极的金属时，发生牺牲阴极保护。阳极由不使用电源即能提供保护电流的牺牲金属组成，这是由于在它们的使用期间所反生的反应是热力学有利的。牺牲阳极体系的缺点包括有限的可用保护电流和有限的寿命。牺牲阳极经历持续的腐蚀或流电金属(galvanic metal)的消耗，并且根据腐蚀的程度，通常需要在某一时刻进行更换。

由于钢筋混凝土结构的腐蚀对于人类生活存在危害且维修成本高，因此需要用于满足实现新的防腐技术和用于后代的保护基础设施的需要的改进的体系和方法。

附图说明

图lA为流电阴极保护体系的一个示例性实施方案的横截面视图。

图lB为流电阴极保护体系的一个示例性实施方案的横截面视图。