MM0/Ti柔性阳极研制生产
□文/刘严强,赖广森·北京碧海舟腐蚀防护工业股份有限公司
阴极保护技术是有效抑制埋地或水中金属结构电化学腐蚀的有效手段之一,其与防腐涂层一起构成了埋地钢质管道腐蚀防护的完整技术体系。近年来,，柔性阳极作为阴极保护的新型材料之一开始获得广泛的应用。
柔性阳极是阴极保护技术进步的产物,其形状类似电缆,并可像电缆一样铺设在欲保护的埋地管道旁边或油气储罐罐底板基础内,实现对保护对象的阴极保护,同时具有传统分布武阳极(如浅埋、深井阳极地床)不具备的保护电流利用效率高,对其他非保护对象杂散电流干扰少的优点。并且在山区等土壤电阻率很高的区段也可以应用。这些优点使得它在目前国内的站内区域性阴极保护的应用方面体现出巨大的优势,油气站场站内埋管道密集,设施众多,采用传统的分布式阳极进行保护,极易发生干扰、屏蔽等电位分布不均匀的问题,需要很高的设计和施工能力的配合,才能真正有效实施阴极保护。而采用柔性阳极则可以完美地克服这些缺点,极大地降低设计和施工难度,有效保证项目实施的成功率,因而在近几年获得了广泛的应用。
目前在国际上,根据柔性阳极芯材质的不同,主要有基于导电聚合物的柔性阳极和基于MMO(贵金属氧化物)的柔性阳极。其中基于导电聚合物的柔性阳极芯采用石墨掺杂的导电聚合物为阳极主体,,其具有小电流稳定输出,成本低的优点,但是在大电流的载流能力上,由于导电聚合物的固有的发热膨胀的缺陷,容易在大电流时发热导致导电聚合物机械性能丧失而解体,直接导致失效;基于MMO的柔性阳极则没有这些问题,且具有载流能力大(可达900mA/M)和使用寿命长的优点。
当前的油气站场区域性阴极保护主要应用的都是MMO的柔性阳极。目前国内尚未开发MMO的柔性阳极产品,使国内柔性阳极阴极保护项目全部采用的为国外产品,给国家造成了大量的外汇损失。为了填补国内在MMO柔性阳极产品方面的空白,并进一步促进柔性阳极技术在我国的应用,北京碧海舟腐蚀防护工业股份有限公司决定开展MMO/Ti柔性阳极的研制工作。
材料与组成
要确保柔性阳极能够在阳极反应的强酸性和强氧化性环境下保持长期的稳定性,需要柔性阳极主要组成材料具备在这种环境下的长期稳定工作能力,因此,研制MMO/Ti柔性阳极的第—步是筛选适宜的组成材料。MMO/Ti柔性阳极结构组成图如图1、2所示
图1 MMO/Ti柔性阳极横截面结构图
图2 MMO/Ti柔性阳极纵截面结构图
MMO(贵金属氧化物)阳极丝
MMO(贵金属氧化物}阴极保护技术的阳极是在20世纪60年代应用于氯碱工业的DSA技术为基础而经过多年的发展开发出来的。国际上主要是由意大利迪诺拉公司推出的LiDa系列的贵金属氧化物阳极,其最早的应用可以追溯到1971年,其使用24根LiDa阳极棒对一座码头实施了保护。国内也在20世纪90年代成功的开发出了MM0阴极保护用阳极,阳极的主体为涂有混合金属氧化物IO2/氧化钽Ta2O5钛基阳极,经过十几年的发展,目前已经在国内获得了大量的应用,并供应国外市场。在土壤中,基于MMO的阳极丝的输出电流密度主要受阳极丝周围环境的影响，而MMO阳极的寿命则主要由阳极的输出电流密度和涂层厚度决定。经过周密的调研和试验,MMO阳极丝在国内有多家厂家可以生产并完全符合国内外标准的要求,完全可以满足MMO柔性阳极生产的需求。
导电电缆
由于MMO阳极丝的基体金属钛的导电性能较差(电阻率:20℃ 时,工业纯钛的电阻率为0.556μΩ· m),同时MMO钛丝较细的尺寸更增加了纵向导电电阻,这样,排流电流的衰减率会很高,不能满足柔性阳极长距离保护的要求,因此柔性阳极需要导电电缆来保证其纵向的电流传输能力,以获得较小的电流衰减率。由于导电电缆直接处于阳极体内与阳极丝并行,因此处于阳极酸性的氧化性环境内,需要采用具备耐酸和耐氧化性的绝缘护套铜芯电缆。经过了解目前国内电缆技术和生产情况,确定了可以满足柔性阳极并行导电电缆需求的电缆型号和规格。
导电电缆与MMO丝的连接
为了保证导电性需要将MMO丝每隔一定距离与导电电缆连接,连接采用压接的方式,但是必须保证MMO丝与电缆铜芯的压接既不破坏钛丝的导电涂层,也需要足够的压接力保证其导电性和机械稳定性。由于阳极处于正电位状态,使得阳极丝与导电电缆铜芯的连接必须严格密封防水,否则会立即造成电缆铜芯的电解而断掉。对电缆与MMO阳极丝接点的密封防水要充分考虑到阳极反应造成高氯的氧化性环境,密封材料保证充分的绝缘防水，还要能长期耐受阳极丝周围高酸性的氧化环境。
通过大量的试验工作,选择了适宜的并行接头密封材料,并通过特殊的工艺和结构,得以实现高强度、可靠和长寿命的有效防水密封,满足了柔性阳极接头的技术要求。
导电焦炭填料
焦炭导电填料承担着降低接地电阻,增加MMO阳极丝的排流量和使用寿命的目的,同时还要避免大排流量时发生气阻问题,影响阳极的输出。
通过查阅大量的技术资料,并进行室内模拟实验,合理的选择了填充导电焦炭填料的粒径及其分布,可达到排流密度、接触电阻和排气要求平衡的最佳效果。
外部包裹材料
外部包裹材料承担着包裹导电焦炭粉在MMO阳极丝周围，并保证成型后的阳极体具备足够的灵活性,可以随意弯折敷设。同时,包裹材料还要具备足够的透水透气性,以保证柔性阳极可以通过足够的阳极电流。此外，外部包裹材料还要满足生产线适宜的粘结方式要求。
通过对各种纤维织物进行大量的试验筛选后，确定了可以满足上述要求的品种和织物结构,可以实现柔性阳极寿命期内的完整性和功能。
编织机械保护层
外部的机械保护层负责提高柔性阳极在现场施工中对各种机械破坏的能力,因为内部密实包裹的导电焦炭粉填料具备极好的流动性,因此需要保证包裹材料的完整性。
同样,通过合理筛选,选择了适宜的外部编织机械保护层的单丝品种和结构,可以满足机械保护和耐酸性的要求。
总之，通过大量的室内模拟实验和技术比对,确定了可以满足MMO/Ti柔性阳极使用性能要求的组成材料,下一步的工作是需要确定适宜的成型工艺,以确保将导电焦炭粉密实地包裹在组合阳极芯的周围,并将外围包裹材料粘合成型。
成形工艺
从以上柔性阳极结构组成可以看出,柔性阳极结构较为简单,但是,由于柔性阳极要连续地包裹焦炭粉,并保证阳极芯居中,显然,人工生产,无法实现。从以上叙述看到,连续密实地包裹焦炭粉是柔性阳极的典型特征,如果只有柔性阳极芯而没有连续的包裹焦炭,就不能有效实现施工简便并保证阳极安装的目标,也不能成为真正意义上的柔性阳极。要实现焦炭粉连续灌装并密实包裹MMO 阳极芯,只有采用连续的机械化设备来实现。目前市场上还没有成熟或可以参考、借用的类似的包装设备可以满足柔性阳极生产要求,这也是长期困扰各柔性阳极生产厂家、使得个别厂家可以垄断柔性阳极产品的多年的根本原因。在这种条件下,只有完全自主研制专用的柔性阳极成形机。
柔性阳极成形机的研制难点如下:(1)外部包裹织物连续成桶装,密实包裹粉状的焦炭填料,并连续有效粘合。(2)在连续密实包裹焦炭填料的同时,将阳极芯加入其中。(3)连续行走机构的设计。(4)由于柔性阳极本身尺寸有限(直径约40mm),并有阳极芯,，使得焦炭填料的压实成为一个技术难题。
以上难点使得柔性阳极连续成形机的研制需要大量的设计、试验、改进工作。经过长时间的努力,并经过大量各种不同技术方案的组合改进,北京碧海舟腐蚀防护工业股份有限公司的柔性阳极项目组的技术人员克服了中间出现的各种困难,成功独立自主开发出了国内第一条MMO柔性阳极成形机。
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