牺牲阳极与外加电流阴极保护对比分析

摘要：本文全面对比牺牲阳极阴极保护与外加电流阴极保护技术，阐述二者原理，分析保护电流、适用环境、对邻近结构影响、运行成本等方面的差异，并结合储罐、管道等实际案例，明确各自适用场景，为合理选择阴极保护方式提供参考。

关键词：牺牲阳极阴极保护；外加电流阴极保护；对比分析；腐蚀防护

一、引言

金属腐蚀是一个普遍存在且危害严重的问题，会导致金属结构的损坏、性能下降，甚至引发安全事故，造成巨大的经济损失。全球每年因金属腐蚀造成的经济损失约占 GDP 的 2% - 4% 。阴极保护技术作为一种重要的电化学保护方法应用广泛。阴极保护主要分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两大类型。深入了解并对比这两种保护方式，对工程中精准选择阴极保护方法、提升防腐蚀效果、降低成本意义重大。

二、牺牲阳极阴极保护与外加电流阴极保护的原理

（一）牺牲阳极阴极保护原理

牺牲阳极阴极保护基于电化学腐蚀原理。在土壤等电解质环境中，将电位更负的金属（牺牲阳极）与被保护金属结构相连。不同金属在电解质中电位有差异，电位更负的牺牲阳极优先失去电子发生氧化反应而被腐蚀。比如海水中，锌电位比铁更负，锌（牺牲阳极）与铁（被保护金属）连接后，锌发生氧化反应：Zn - 2e⁻ = Zn²⁺，释放的电子流向被保护的铁结构，使其表面电子富集，电位降低成为阴极，抑制铁的腐蚀反应（如 Fe - 2e⁻ = Fe²⁺被抑制）。

常见牺牲阳极材料有镁、锌合金等。镁合金牺牲阳极电位很负，驱动电压高，适用于电阻率较高的土壤等环境，理论电容量大，但实际电流效率相对较低，因腐蚀时会发生自溶等现象，如沙漠地区埋地管道保护可选用。锌合金牺牲阳极电位适中，电流效率较高，在海水等电阻率较低环境应用广泛，对被保护金属结构干扰小，无杂散电流，保护电流分布均匀，局部过保护风险低。

（二）外加电流阴极保护原理

外加电流阴极保护借助外部直流电源，电源负极接被保护金属结构使其成为阴极，正极接辅助阳极。电源开启后，电流从辅助阳极流出，经电解质溶液到达被保护的金属结构，使其表面极化，电位降低到阴极保护电位范围，抑制其腐蚀反应。辅助阳极发生氧化反应（如高硅铸铁阳极：Fe - 2e⁻ = Fe²⁺），电子通过电源和导线转移到被保护金属。

辅助阳极材料多样，如废石墨、高硅铸铁、镀铂钛以及混合金属氧化物电极等，各适用于不同场合。参比电极作用关键，可测量被保护结构物电位，监测保护效果，还能为自动控制的恒电位仪提供控制信号以监测结构物状态。工程中常用铜 / 饱和硫酸铜、银 / 卤化银及锌参比电极等。

三、牺牲阳极阴极保护与外加电流阴极保护的对比

（一）保护电流输出特性对比

牺牲阳极输出电流有限，一般小于 1A，适用于需求电流小的场合。其输出电流受阳极材料特性、规格及环境因素影响，且随阳极消耗逐渐减小。

外加电流阴极保护输出电流较大，可通过调节电源输出满足不同需求，适用于大型无覆盖层或涂层较差的结构。长输管道保护中，可根据管道长度、土壤电阻率等，通过恒电位仪调节输出电流，能输出数安培甚至更大电流，确保长距离管道各部位都能得到有效保护。

（二）适用环境对比

牺牲阳极适用于土壤或电阻率低的土壤及水中。在高电阻土壤环境下，阳极接地电阻大，输出电流受影响，保护效果不佳。在海水环境中，锌合金牺牲阳极应用广泛，能稳定输出保护电流。

外加电流阴极保护受土壤及电阻率限制小，在不同土壤电阻率环境中，通过调整辅助阳极布置、类型及电源输出参数，都能实现有效保护。在城市复杂地下管网环境，外加电流阴极保护可满足不同区域管道保护需求。但在无电源或电源获取困难地区，应用受限。

（三）对邻近结构物影响对比

牺牲阳极对邻近结构物影响小，因其输出电流小，不易产生杂散电流干扰邻近金属结构。在埋地管道密集区域，采用牺牲阳极阴极保护，不会对周边其他管道、电缆等造成明显干扰，能保证周边金属设施正常运行。

外加电流阴极保护若设计或安装不当，可能引发杂散电流，对邻近结构物产生干扰，导致过保护等现象。如大型储罐区，辅助阳极布置不合理，杂散电流可能使邻近储罐电位异常，加速或抑制邻近储罐腐蚀，需采取有效的排流措施消除干扰 。

（四）初期投资与长期运行成本对比

牺牲阳极阴极保护初期投资较低，只需采购牺牲阳极材料、连接电缆等，安装简单，人工成本低。但长期运行成本高，阳极不断消耗，需定期检查、更换，尤其在大规模保护项目中，频繁更换阳极费用可观。如某小型海上平台，采用牺牲阳极阴极保护，初期采购与安装阳极费用约5万元，运行5年后，因阳极消耗需全部更换，更换费用约3万元，且运行时间增长，更换频率可能增加，成本持续上升。

外加电流阴极保护初期投资大，需购置恒电位仪、辅助阳极、参比电极等设备，其基础建设费用高。但长期运行中，若设备稳定运行，只需支付电费与少量维护费用，综合成本可能低于牺牲阳极阴极保护。如某长输管道项目，外加电流阴极保护初期投资约50万元，运行10年，电费与维护费用总计约30万元，平均每年成本3万元，相比牺牲阳极阴极保护长期运行成本更低 。

四、牺牲阳极阴极保护与外加电流阴极保护的实际应用案例

（一）储罐保护案例

某石化企业多个大型储罐，部分储罐内壁采用牺牲阳极阴极保护，外壁采用外加电流阴极保护。储罐内壁空间相对封闭，介质腐蚀性相对较弱，对保护电流需求小，采用锌合金牺牲阳极，安装在内壁底部及侧壁，定期检查阳极消耗并及时更换，运行多年内壁腐蚀得到有效控制，未出现明显腐蚀穿孔现象。

储罐外壁因面积大，受外界环境影响复杂，需较大保护电流，采用外加电流阴极保护，辅助阳极采用深井阳极，布置在储罐周边，通过恒电位仪精确控制输出电流，使储罐外壁电位维持在合理保护范围。经检测，外壁腐蚀速率显著降低，保护效果良好 。

（二）管道保护案例

在某天然气长输管道项目中，部分管道穿越沙漠地区，土壤电阻率高，采用镁合金牺牲阳极阴极保护，每隔一定距离安装一组牺牲阳极，保证管道得到有效保护。但随着运行时间增加，部分阳极消耗过快，需增加阳极数量与更换频率。而在人口密集的城市区域，管道采用外加电流阴极保护，考虑对周边建筑及地下设施影响，辅助阳极采用柔性阳极，沿管道平行铺设，有效降低接地电阻，减少杂散电流干扰，同时通过智能监测系统实时监测管道电位与电流，确保管道在复杂环境下得到可靠保护 。

五、结论

牺牲阳极阴极保护与外加电流阴极保护各有优劣。牺牲阳极阴极保护输出电流有限，适用于小电流需求、低电阻率环境，对邻近结构物干扰小，初期投资低但长期运行成本高；外加电流阴极保护输出电流大，受土壤电阻率限制小，适用于大型结构及复杂环境，对邻近结构物可能产生干扰，初期投资大但长期运行成本可能较低。在实际工程中，需综合考虑被保护金属结构特点、所处环境、保护电流需求、对邻近结构物影响以及成本等因素，合理选择阴极保护方式，必要时可将两种保护方式结合使用，以达到最佳的防腐蚀效果，延长金属结构使用寿命，降低维护成本，保障工程安全稳定运行 。

参考文献：

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[3]魏新来，王艺杰.钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀与其阴极保护[J].科技视界，2012，（23）：285-286.

作者简介：王卓（1993-），男，汉族，重庆市永川区人，重庆交通大学大学硕士研究生，研究方向：桥梁工程