申 请 (专利) 号：  02154414.X 申   请   日：   2002.12.10
名           称：   浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法 
公 开 (公告) 号：  CN1506497  公开(公告)日：   2004.06.23 
主  分  类  号：   C23F13/00 分案原申请号：  
分    类    号：   C23F13/00 
颁    证     日：    优   先   权：  
申请(专利权)人：   天华化工机械及自动化研究设计院 
地          址：  730060甘肃省兰州市西固区合水北路3号
发 明 (设计)人：  郑建国;周斌;史立军;王振华;;徐暾家;陶永顺;肖世猛  国  际 申 请：  
国  际  公  布：   进入国家日期：  
专利 代理 机构：   甘肃省专利服务中心  代   理   人：  田玉兰
 
  摘要　 
 一种浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，将浓硫酸输送管道(1)作为阳极，与管道保护控制仪(3)的正极相连；辅助阴极(2)起导通电流的作用，与管道保护控制仪(3)的负极相连，阴极(2)制成棒状形式，沿管道径向插入浓硫酸管道中；管道保护控制仪(3)可为能够输出稳定直流电流、电压可调的整流器、稳压电源、恒槽压仪等。该方法参比电极不参与控制，克服了参比电极不稳定对保护效果的影响；克服了参比电极故障导致的系统失控，即使在管道内未充满酸的情况下阳极保护系统也能正常工作；阴极材料处于阴极保护状态，延长了使用寿命，降低了更换费用；阳极保护电源简便、可靠、稳定、操作简单且成本大大降低；浓硫酸输送管道处于恒压阳极保护状态时，年腐蚀率在0.05mm以下，可达到理想的保护效果。
  主权项 　 
  1、一种浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，其特征在于将浓硫酸输送管道(1)作为阳极，与管道保护控制仪(3)的正极相连；辅助阴极(2) 起导通电流的作用，与管道保护控制仪(3)的负极相连，阴极(2)制成棒状形式，沿管道径向插入浓硫酸管道中；管道保护控制仪可为能够输出稳定直流电流、电压可调的整流器、稳压电源、恒槽压仪等。

权利要求书
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    1、一种浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，其特征在于将浓硫酸输送管道(1)作为阳极，与管道保护控制仪(3)的正极相连；辅助阴极(2)起导通电流的作用，与管道保护控制仪(3)的负极相连，阴极(2)制成棒
状形式，沿管道径向插入浓硫酸管道中；管道保护控制仪可为能够输出稳定直流电流、电压可调的整流器、稳压电源、恒槽压仪等。
    2、根据权利要求1所述的浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，其特征在于上述阳极保护系统以E槽压作为控制指标，对于304L、316L不锈钢浓硫酸输送管道，浓硫酸浓度为93％，保护电位范围为一200～600mV，控制指标E槽压为200～1100mV；对于304l、316L不锈钢浓硫酸输送管道，浓硫酸浓度为98％，保护电位范围为-300～700mV，控制指标E槽压为100～1200mV。
    3、根据权利要求1所述的浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，其特征在于上述阴极的材料选择应符合电位稳定、耐腐蚀、成本低，并且具有一定的强度等特点，如18-8型不锈钢、25-20型不锈钢、哈氏合金、Inconel合金等；阴极材料在93～98％H2S04中应表现出的阴极极化特性为：阴极电流密度变化的幅度较大时，阴极电位的变化却很小。
    4、根据权利要求1或3所述的浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，其特征在于上述阴极的间距与管道管径和浓硫酸浓度有关，一般间距为2～5米，沿管道轴向一字排列，以并联方式接管道保护控制仪(3)。
    5、根据权利要求1或3所述的浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，其特征在于上述阳极的保护面积S阳与阴极面积S阴的比例约为300～700：1。

                                                  说  明  书

浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法
    技术领域  本发明属于电化学防腐蚀阳极保护技术领域，特别是一种浓硫酸输送管道的防腐蚀恒压阳极保护方法。
    背景技术    目前，绝大多数硫酸生产厂家采用铸铁管道、不锈钢管道输送浓硫酸，这些管道在低温浓硫酸中耐蚀性较强，但在高温浓硫酸中(70～120℃，93～98％H2S04)耐蚀性较差，不锈钢管道年腐蚀率在lmm以
上，铸铁管道腐蚀更严重，管道的使用寿命很短，经常造成停产，无法满足制酸生产的正常运行，并且生产的硫酸质量达不到标准。也有关于不锈钢浓硫酸输送管道采用恒电位法阳极保护的应用，但此种使用恒电位仪控制管道电位的方法，不仅阳极保护系统组成复杂，而且恒电位仪的成本高。尤其当
工艺出现故障，如管道内部未充满酸、参比电极悬空，将导致阳极保护系统失控。
    发明内容    为了克服恒电位法保护的以上缺点，本发明提供一种简便、安全、可靠、成本低的输送浓硫酸管道的恒压阳极保护方法。
    本发明提供的浓硫酸管道恒压阳极保护方法的依据是：测定不锈钢在浓硫酸中的阳极极化曲线可知，不锈钢在浓硫酸中有很宽的钝化区。如：304L不锈钢在25℃、98％H2S04中，钝化电位区间为-400~+1,000mV(本文电位值均相对于Hg-Hg2S04参比电极)，维钝电流密度为0．03A／m2；在80℃、98％
H2S04中，钝化电位区间为-200~+700mV，维钝电流密度为O.13A／m2。可以看出，钝化电位区范围近1，ooomV，为实施恒压法阳极保护提供了足够空间。若304L不锈钢管道控制在此钝化电位区间，年腐蚀率可控制在0.05mm以下，从而达到理想的保护效果。
 

表1  304I。和316L不锈钢在浓}-12S04中的电化学参数
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┃        ┃        ┃        ┃致钝电流    ┃维钝电流    ┃钝化区间        ┃    腐蚀率          ┃
┃材质    ┃浓度    ┃温度    ┃  密度      ┃  密度      ┃    (mV)        ┃    (mm／a)         ┃
┃        ┃        ┃        ┃            ┃            ┃                ┣━━━━┳━━━━━┫
┃        ┃(％)    ┃(℃)    ┃(A／m2)     ┃(．A／m2)   ┃                ┃自然    ┃保护      ┃
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┃        ┃        ┃    25  ┃    0.45 ┃    0.030  ┃                ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃    93  ┃    50  ┃    5.66   ┃    0.046  ┃                ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃    80  ┃    9.72   ┃    O.124  ┃                ┃ 2.00  ┃┃        ┣━━━━╋━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃    25  ┃    2.30   ┃    0.033  ┃-400~+1000  ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃3041。  ┃    98  ┃    50  ┃    2.51  ┃    0.049  ┃—200~+900     ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃    80  ┃    4.92   ┃    O.133  ┃-200~+700      ┃ 0.60  ┃(0.05    ┃
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┃        ┃        ┃    25  ┃    1.OO   ┃  0.032    ┃                ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃    93  ┃  50    ┃  1.30      ┃  0.041  ┃                ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃  80    ┃  5.45     ┃  O.160    ┃                ┃  1.20 ┃  ┃        ┣━━━━╋━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃    25  ┃    自钝化  ┃    0.014  ┃-200~+1000     ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃        ┃            ┃            ┃    ，          ┃        ┃          ┃
┃ 3 16L  ┃        ┃    50  ┃    O.16   ┃    0.019  ┃-200~+800      ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃    98  ┃    80  ┃    0.23   ┃    0.064  ┃-200~+600  ┃ 0.30  ┃(0.02    ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃    lOO ┃    0.20   ┃    0.365  ┃                ┃        ┃          ┃
┃        ┃        ┣━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃        ┃    120 ┃    6.80   ┃    1.14   ┃                ┃        ┃          ┃
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    鉴于以上方法依据，为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，是将浓硫酸输送管道作为阳极，与管道保护控制仪的正极相连；辅助阴极起导通电流的作用，与管道保护控制仪的负极相连，阴极制成棒状形式，沿管道径向插入浓硫酸管道中，阴极面积和阴极间距随着管道直径、长度和形状的变化而变化；管道保护控制仪可选择能够输出稳定直流电流、电压可调的整流器、稳压电源、恒槽压仪等。
    恒压法阳极保护系统以E槽压作为控制指标，经过理论分析与现场试验，根据不锈钢管道在不同浓度的浓硫酸中的保护电位，列出如表2所示的控制指标。
   表2  304L／316L不锈钢浓硫酸输送管道的恒压法阳极保护控制指标
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┃材质    ┃浓度    ┃保护电位范围(mV)      ┃控制指标E槽压(mV) ┃
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┃304L    ┃  93％  ┃    -200~600          ┃    200～1100   ┃
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┃ 316L   ┃  98％  ┃    -300~700          ┃    100～1200   ┃
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    理想的阴极材料应电位稳定、耐腐蚀、成本低，并且具有一定的强度，如18—8型不锈钢、25—20型不锈钢、哈氏合金、Inconel合金等。阴极材料在93～98％H2S04中应表现出如图2所示的阴极极化特性，也就是说，阳极保护系统正常工作时，阴极电位处于Φ2值，相对应的阴极电流密度为i2。若浓硫酸生产中工艺条件变化，如浓硫酸温度、浓度变化，则管道的维钝电流密度变化，导致阴极电流密度变为i1，或i3，相对应的阴极电位为Φ1和Φ3。i2与i1和i3相比变化较大，但Φ2与Φ1和Φ3较接近。即当阴极电流密度变化的幅度较大时，阴极电位的变化很小。
    对于电化学系统因为有：i阴=(S阳×i阳)÷S阴
    式中：i阴一辅助阴极的电流密度，A／m2
    S阳一管道(阳极)的保护面积，n12
    S阴一阴极面积，m2；
    i阳一管道(阳极)处在钝态时的维钝电流密度，A／m2；
    在方法实施中，管道面积S阳确定，维钝电流密度i阳确定，即S阳×i阳确定，因此，阴极面积的大小直接影响i阴的大小，一般情况下S阳：S阴为300～700：1。
    阴极间距与管道的管径和浓硫酸的浓度有关，其有关数据列于表3中。在保证阴极面积恒定和强度许可的情况下，增加阴极的长度有利于电流的分散，使管道的阳极保护电位更趋一致，以达到理想的保护状态。
    表3    阴极布置间距
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┃    管径(1T11TI)        ┃  ≤300   ┃  300~500       ┃    ≥500 ┃
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┃间距(m) ┃93％H2S04     ┃    2～3  ┃    2～4        ┃    3～5  ┃
┃        ┣━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━┫
┃        ┃  98％H2S04   ┃    2～4  ┃    2～4        ┃    3～5  ┃
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    本发明提供的浓硫酸输送管道的恒压阳极保护方法，充分挖掘、利用了该体系阳极保护的潜力，无论在阴极选择，还是在电源方面与恒电位阳极保护方法相比具有以下突出的优点：
    (1)该方法参比电极不参与控制，克服了参比电极不稳定对保护效果的影响。
    (2)克服了参比电极故障导致的系统失控，即使在管道内未充满酸的情况下阳极保护系统也能正常工作。
    (3)阴极材料在阳极保护系统正常工作时处于阴极保护状态。试验证明，在阳极保护系统正常工作时，阴极的保护度在75～90％，阴极材料得到很好的保护，延长了使用寿命，降低了阴极的更换费用。
    (4)阳极保护电源简便、可靠、稳定、操作简单且成本大大降低。
    (5)浓硫酸输送管道处于恒压阳极保护状态时，年腐蚀率可控制在0.05mm以下，可达到理想的保护效果。
    附图说明    图1为浓硫酸输送管道的恒压法阳极保护的系统布置图；
    图2为阴极材料的阴极极化曲线图。
  具体实施方式
  实施例一：
  对一条30米长、Φ200mm的输送浓硫酸管道进行阳极保护，浓硫酸浓度为98％，温度为85～90℃。阳极保护系统接线如图1布置，将浓硫酸输送管道1作为阳极，与管道保护控制仪3的正极相连；棒状形式阴极2与管
道保护控制仪3的负极相连，沿管道径向插入浓硫酸管道中，阴极间距为2m，共布置阴极16支，沿管道1轴向一字排列，以并联方式接管道保护控制仪3，S阳：S阴=500：1。阳极保护系统开始工作时，调节阳极保护控制仪，使其输出1.7V的电压，在5～1 O分钟后，测得管道(阳极)电位为200～250mV，此时，降低阳极保护控制仪的输出电压，使其输出O.8V的稳定电压，管道(阳极)电位逐渐下降，最终稳定在150～250mV区间内，处于良好的保护状态。阴极电位最终稳定在．400～500mV区间内，处于阴极保护状态。

实施例二：
    对某制酸厂家的三条输酸管道进行阳极保护。输酸管道管径Φ=400mm，每条管线长度L=35m，浓硫酸浓度为93％和98％，浓硫酸温度为70～90℃。阳极保护系统接线如图1布置，将浓硫酸输送管道1作为阳极，与管道保护控制仪3的正极相连；棒状形式阴极2与管道保护控制仪3的负极相连，沿管道径向插入浓硫酸管道中，输送93％和98％浓硫酸的管道由不同的控制仪控制。阴极间距为2.5m，共布置阴极45支，沿管道l轴向一字排列，以并联方式接管道保护控制仪3，S阳：S阴=550：1。阳极保护系统开始工作时，调节阳极保护控制仪，使其输出1.7V的电压，在5～10分钟后，测得管道(阳极)电位为200～250mV，此时，降低阳极保护控制仪的输出电压，输送93％浓硫酸的管道控制仪输出700mV的电压，管道(阳极)电位逐渐下降，最终稳定在50～150mV区间内，处于良好的保护状态。输送98％浓硫酸的管道控制仪输出800mV的电压，管道(阳极)电位逐渐下降，最终稳定在l 50~250mV区间内，处于良好的保护状态。所有阴极电位最终为-400～500mV区间内，处于阴极保护状态。
    上述方法实施例中，阳极保护电位与管道直径、材料、浓硫酸的浓度、温度等有关，阴极的材料、设置的阴极个数与间距，也与浓硫酸的浓度、温度、管道直径及长度有关，具体数据可以在本发明技术方案及具体实施例的引导下，通过对具体的工艺条件做具体的试验得到，没有一个可以包容上述变量的函数式。