MM0/Ti柔性陽極研制生產

　　

　　□文/劉嚴強,賴廣森·北京碧海舟腐蝕防護工業股份有限公司
 

　　陰極保護技術是有效抑制埋地或水中金屬結構電化學腐蝕的有效手段之一,其與防腐涂層一起構成了埋地鋼質管道腐蝕防護的完整技術體系。近年來,，柔性陽極作為陰極保護的新型材料之一開始獲得廣泛的應用。
 

　　柔性陽極是陰極保護技術進步的產物,其形狀類似電纜,并可像電纜一樣鋪設在欲保護的埋地管道旁邊或油氣儲罐罐底板基礎內,實現對保護對象的陰極保護,同時具有傳統分布武陽極(如淺埋、深井陽極地床)不具備的保護電流利用效率高,對其他非保護對象雜散電流干擾少的優點。并且在山區等土壤電阻率很高的區段也可以應用。這些優點使得它在目前國內的站內區域性陰極保護的應用方面體現出巨大的優勢,油氣站場站內埋管道密集,設施眾多,采用傳統的分布式陽極進行保護,極易發生干擾、屏蔽等電位分布不均勻的問題,需要很高的設計和施工能力的配合,才能真正有效實施陰極保護。而采用柔性陽極則可以完美地克服這些缺點,極大地降低設計和施工難度,有效保證項目實施的成功率,因而在近幾年獲得了廣泛的應用。
 

　　目前在國際上,根據柔性陽極芯材質的不同,主要有基于導電聚合物的柔性陽極和基于MMO(貴金屬氧化物)的柔性陽極。其中基于導電聚合物的柔性陽極芯采用石墨摻雜的導電聚合物為陽極主體,,其具有小電流穩定輸出,成本低的優點,但是在大電流的載流能力上,由于導電聚合物的固有的發熱膨脹的缺陷,容易在大電流時發熱導致導電聚合物機械性能喪失而解體,直接導致失效;基于MMO的柔性陽極則沒有這些問題,且具有載流能力大(可達900mA/M)和使用壽命長的優點。
 

　　當前的油氣站場區域性陰極保護主要應用的都是MMO的柔性陽極。目前國內尚未開發MMO的柔性陽極產品,使國內柔性陽極陰極保護項目全部采用的為國外產品,給國家造成了大量的外匯損失。為了填補國內在MMO柔性陽極產品方面的空白,并進一步促進柔性陽極技術在我國的應用,北京碧海舟腐蝕防護工業股份有限公司決定開展MMO/Ti柔性陽極的研制工作。
 

材料與組成
 

　　要確保柔性陽極能夠在陽極反應的強酸性和強氧化性環境下保持長期的穩定性,需要柔性陽極主要組成材料具備在這種環境下的長期穩定工作能力,因此,研制MMO/Ti柔性陽極的第—步是篩選適宜的組成材料。MMO/Ti柔性陽極結構組成圖如圖1、2所示
 

　　圖1 MMO/Ti柔性陽極橫截面結構圖

　　圖2 MMO/Ti柔性陽極縱截面結構圖

　　MMO(貴金屬氧化物)陽極絲
 

　　MMO(貴金屬氧化物}陰極保護技術的陽極是在20世紀60年代應用于氯堿工業的DSA技術為基礎而經過多年的發展開發出來的。國際上主要是由意大利迪諾拉公司推出的LiDa系列的貴金屬氧化物陽極,其最早的應用可以追溯到1971年,其使用24根LiDa陽極棒對一座碼頭實施了保護。國內也在20世紀90年代成功的開發出了MM0陰極保護用陽極,陽極的主體為涂有混合金屬氧化物IO₂/氧化鉭Ta₂O₅鈦基陽極,經過十幾年的發展,目前已經在國內獲得了大量的應用,并供應國外市場。在土壤中,基于MMO的陽極絲的輸出電流密度主要受陽極絲周圍環境的影響，而MMO陽極的壽命則主要由陽極的輸出電流密度和涂層厚度決定。經過周密的調研和試驗,MMO陽極絲在國內有多家廠家可以生產并完全符合國內外標準的要求,完全可以滿足MMO柔性陽極生產的需求。
 

　　導電電纜
 

　　由于MMO陽極絲的基體金屬鈦的導電性能較差(電阻率:20℃ 時,工業純鈦的電阻率為0.556μΩ· m),同時MMO鈦絲較細的尺寸更增加了縱向導電電阻,這樣,排流電流的衰減率會很高,不能滿足柔性陽極長距離保護的要求,因此柔性陽極需要導電電纜來保證其縱向的電流傳輸能力,以獲得較小的電流衰減率。由于導電電纜直接處于陽極體內與陽極絲并行,因此處于陽極酸性的氧化性環境內,需要采用具備耐酸和耐氧化性的絕緣護套銅芯電纜。經過了解目前國內電纜技術和生產情況,確定了可以滿足柔性陽極并行導電電纜需求的電纜型號和規格。
 

　　導電電纜與MMO絲的連接
 

　　為了保證導電性需要將MMO絲每隔一定距離與導電電纜連接,連接采用壓接的方式,但是必須保證MMO絲與電纜銅芯的壓接既不破壞鈦絲的導電涂層,也需要足夠的壓接力保證其導電性和機械穩定性。由于陽極處于正電位狀態,使得陽極絲與導電電纜銅芯的連接必須嚴格密封防水,否則會立即造成電纜銅芯的電解而斷掉。對電纜與MMO陽極絲接點的密封防水要充分考慮到陽極反應造成高氯的氧化性環境,密封材料保證充分的絕緣防水，還要能長期耐受陽極絲周圍高酸性的氧化環境。
 

　　通過大量的試驗工作,選擇了適宜的并行接頭密封材料,并通過特殊的工藝和結構,得以實現高強度、可靠和長壽命的有效防水密封,滿足了柔性陽極接頭的技術要求。
 

　　導電焦炭填料
 

　　焦炭導電填料承擔著降低接地電阻,增加MMO陽極絲的排流量和使用壽命的目的,同時還要避免大排流量時發生氣阻問題,影響陽極的輸出。
 

　　通過查閱大量的技術資料,并進行室內模擬實驗,合理的選擇了填充導電焦炭填料的粒徑及其分布,可達到排流密度、接觸電阻和排氣要求平衡的最佳效果。
 

　　外部包裹材料
 

　　外部包裹材料承擔著包裹導電焦炭粉在MMO陽極絲周圍，并保證成型后的陽極體具備足夠的靈活性,可以隨意彎折敷設。同時,包裹材料還要具備足夠的透水透氣性,以保證柔性陽極可以通過足夠的陽極電流。此外，外部包裹材料還要滿足生產線適宜的粘結方式要求。
 

　　通過對各種纖維織物進行大量的試驗篩選后，確定了可以滿足上述要求的品種和織物結構,可以實現柔性陽極壽命期內的完整性和功能。
 

　　編織機械保護層
 

　　外部的機械保護層負責提高柔性陽極在現場施工中對各種機械破壞的能力,因為內部密實包裹的導電焦炭粉填料具備極好的流動性,因此需要保證包裹材料的完整性。
 

　　同樣,通過合理篩選,選擇了適宜的外部編織機械保護層的單絲品種和結構,可以滿足機械保護和耐酸性的要求。
 

　　總之，通過大量的室內模擬實驗和技術比對,確定了可以滿足MMO/Ti柔性陽極使用性能要求的組成材料,下一步的工作是需要確定適宜的成型工藝,以確保將導電焦炭粉密實地包裹在組合陽極芯的周圍,并將外圍包裹材料粘合成型。
 

成形工藝
 

　　從以上柔性陽極結構組成可以看出,柔性陽極結構較為簡單,但是,由于柔性陽極要連續地包裹焦炭粉,并保證陽極芯居中,顯然,人工生產,無法實現。從以上敘述看到,連續密實地包裹焦炭粉是柔性陽極的典型特征,如果只有柔性陽極芯而沒有連續的包裹焦炭,就不能有效實現施工簡便并保證陽極安裝的目標,也不能成為真正意義上的柔性陽極。要實現焦炭粉連續灌裝并密實包裹MMO 陽極芯,只有采用連續的機械化設備來實現。目前市場上還沒有成熟或可以參考、借用的類似的包裝設備可以滿足柔性陽極生產要求,這也是長期困擾各柔性陽極生產廠家、使得個別廠家可以壟斷柔性陽極產品的多年的根本原因。在這種條件下,只有完全自主研制專用的柔性陽極成形機。
 

　　柔性陽極成形機的研制難點如下:(1)外部包裹織物連續成桶裝,密實包裹粉狀的焦炭填料,并連續有效粘合。(2)在連續密實包裹焦炭填料的同時,將陽極芯加入其中。(3)連續行走機構的設計。(4)由于柔性陽極本身尺寸有限(直徑約40mm),并有陽極芯,，使得焦炭填料的壓實成為一個技術難題。
 

　　以上難點使得柔性陽極連續成形機的研制需要大量的設計、試驗、改進工作。經過長時間的努力,并經過大量各種不同技術方案的組合改進,北京碧海舟腐蝕防護工業股份有限公司的柔性陽極項目組的技術人員克服了中間出現的各種困難,成功獨立自主開發出了國內第一條MMO柔性陽極成形機。

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