钌铱钛合金电极的脉冲电流阴极保护研究

袁 旺

（西安石油大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710065）

钛基金属氧化物是20世纪60年代发展起来的一种难溶性阳极材料，具有良好的耐蚀性和电化学性能，成品尺寸稳定性高，而且其价格比铂电极便宜。因此，被广泛的应用于冶金、化工、环保以及多种腐蚀环境中[1]。在上世纪末，国内逐渐的将钛基复合金属作为阴极保护的阳极应用于船体的保护中，并制定了相关的标准指导其应用。钛基复合金属电极主要是用于氯碱工业中，将钌铱金属氧化物涂覆于钛基金属所制得的钌铱钛 (化学表达式RuO2-IrO2-TiO2/Ti)电极是一种复合金属电极。其中钌铱复合金属涂层属于多元涂层，主要目的是在降低析氯电位，而提高析氧电位，从而提高电极寿命。

在油气集输管道的防腐研究中，对于集输管道的外腐蚀有多种措施进行防护，如涂层、阴极保护等，而且施工过程较为容易。经过作者的调查研究发现，大多数集输管道的腐蚀主要是内腐蚀。对于管道的内腐蚀，尤其是站场集输管道，由于插接点多、管线布局复杂，传统的防腐措施很难有效实施。集输管道中的输送介质为原油采出液，是一种油水混合物，此种介质具有较高的矿化度，对管道的耐蚀性能要求极高，往往造成集输管道内壁的电化学腐蚀。阴极保护是有效应对电化学腐蚀的办法，近年来已有诸多的应用研究。脉冲电流阴极保护技术是一种特殊的阴极保护，利用脉冲电源对被保护对象进行供电使阴极极化，相比于普通的阴极保护技术具有诸多的优点。如具有良好的电穿透性，保护距离远，电位分布更均匀，更加经济节能等。因此如何将其应用于管道的内防腐中，以解决集输管道等的内腐蚀问题已成为当前的一个研究方向。对于管道的内防腐研究，一般所使用的参比电极如甘汞电极、Ag/AgCl等无法应用于集输管道内。钌铱钛合金可制作成棒状、丝状、网状等多种形状，并且具有诸多良好的性能，因此研究如何将其应用于管道内防腐中是本文的主要研究内容。

1 实验部分

1.1 实验准备

为了能更好的体现实验效果，实验以20#钢作为阴极材料，20#钢为低碳钢，在有氧环境中更容易发生氧化。实验前，将阴极（20#）试样分别用 80#、180#、400#、600#、800#、1000#砂纸打磨至光亮。并用无水酒精浸泡去油，取出干燥后备用。实验时所使用的器材：AN5040D-M型方波脉冲电源、TDS1002数字示波器、HIOKI3239型高速数组万用表、烧杯、饱和甘汞电极（参比电极）、钌铱钛合金电极（若干），电极尺寸Φ2×160mm。

1.2 实验过程

实验前首先配制质量浓度为4%的NaCl溶液作为腐蚀介质，在常温（20℃）下测量溶液的电阻率，实验时将各个器件按图1所示电路连接，钌铱钛合金电极入水深度为100mm。

图1 实验原理图

根据徐兴龙[2]的研究发现，脉冲电流阴极保护过程中，当脉冲频率为3000Hz，占空为50%时保护效果最好。因此在实验过程中，选用方波脉冲电源，设定电源的脉冲频率为3000Hz，占空比50%，通过调节电源设定输出电压在合理的保护范围内。

实验时需要测量甘汞电极电位，钌铱钛作参比电极时的电极电位，实验时每30min记录一次数据。

2 结果讨论

2.1 溶液的电阻率

根据金虎杰等[3]人的研究，溶液介质的电阻率随着溶液浓度的增加在逐渐的降低，并得到溶液的电阻率与浓度之间的关系式（1）：

其中：ρ为溶液电阻率，n为溶液浓度，K为液体温度不变时的常量。并用所测定NaCl溶液与电阻率之间的数据拟合K值为0.9982。经测定浓度为4%的NaCl溶液中的电阻率约为0.2Ω·m，因此4%NaCl溶液中的电阻值较低，在实验过程中忽略溶液电阻对电位的影响。

2.2 钌铱钛参比电极电位

钛基氧化物参比电极电位标定时，采用双参比电极的方式进行标定，即在同一个腐蚀体系中采用两个参比电极测量同一个阴极电位的方式。同时用饱和甘汞参比电极和钌铱钛合金参比电极测量4%NaCl溶液中20#的阴极保护电位。实验时，环境温度为20℃。测量时，每20min记录一次数据，所得的参比电极电位随时间的变化趋势如图2所示。

图2 参比电极随运行时间的变化

从图2中看出，随着运行时间的延长，两种参比电极的电位都在逐渐的降低且逐渐的趋于稳定。甘汞参比在20min后便达到稳定状态，而钌铱钛合金参比电极需要在140min后才能达到稳定电位。整个测量时间段内，甘汞电极所测得的电位比钌铱钛金属参比电极低，稳定后实验测得的电位差为590mV。以运行时间为自变量，电位差为因变量，利用Logistic函数拟合电位差随运行时间的变化关系得到图3所示的图形。

图3 电位差的拟合值

所拟合出的模型为式（2）：

其中各个参数的拟合值见表1。

从图3及式（2）中看出，实测的电位差随着运行时间的延长在逐渐的趋于稳定，而在式（2）中，拟合函数收敛于594.89。拟合模型计算的值与实测值吻合，说明拟合模型正确。用甘汞电极标定钌铱钛合金时，以钌铱钛合金参比电极所测电位减594.89mV即为甘汞参比电极所测电位。国家标准规定[4]，甘汞电极的标氢电位280mV，因此钌铱钛合金参比电极的标准电位为甘汞电极的标氢电位，加上钌铱钛合金参比电极与甘汞电极的电位差。

表1 电位差拟合模型的参数值

3 结论

经研究发现，钌铱钛合金参比电极的保护电位比甘汞参比电极高，经过拟合后所得二者之间的差值为594.89mV；且钌铱钛合金参比电极的所达到稳定的时间比甘汞电极的稳定时间长。