侯世忠

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

0 引言

我國幅員遼闊，大陸海岸線長達1.8萬多公里，近海海域面積約470多萬平方公里。海水是一種強烈的腐蝕介質，航行在其中的船舶會遭受到不同程度的腐蝕，嚴重影響海軍的戰斗能力，因此，船舶的防蝕問題受到各個國家的重視。從英國化學家Davy自1824年首次應用陰極保護技術以來，經過190多年的研究，陰極保護技術得到了長足的發展。

陰極保護一般分為犧牲陽極和外加電流保護兩種，兩種方法各有優缺點，可以相互補充，或聯合使用，其明顯的保護效果和顯著的經濟效益得到了普遍的認可。近些年來，在腐蝕領域科研人員的努力下，陰極保護技術的各種設備、材料和設計技術又取得了新的進展。

1 概述

陰極保護技術是電化學保護技術的一種，其原理是向被保護的金屬結構提供陰極保護電流，被保護結構物成為陰極，使其陰極極化到一定范圍，從而使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發生。犧牲陽極保護是通過金屬（陽極）自身的溶解來向被保護結構提供電流，外加電流保護是通過直流電源設備向被保護結構提供電流。目前陰極保護技術已經基本成熟，廣泛應用到土壤、海水、淡水、化工介質中的埋地管網、電纜、鋼碼頭、艦船、儲罐罐底、冷卻器等金屬構筑物的腐蝕控制。

近代科學技術的高速發展，特別是電子技術的突飛猛進，有力地促進了腐蝕防護學科的進步。陰極保護技術的發展以外加電流和犧牲陽極兩大系列分別開發了多種產品和新材料，如輔助陽極從簡單的鋼管發展到石墨、高硅鑄鐵、鉛銀陽極、磁性氧化鐵、貴金屬氧化物陽極、鉑鈦陽極等，可控電源由磁飽和、大功率晶體管、可控硅三大系列的恒電位儀向IGBT電子電力模塊、開關電源數字化發展；犧牲陽極已形成有鋁基、鎂基、鋅基三大系列陽極材料以外的復合式陽極，以適應各種不同環境和工況。國外20世紀60年代出現了整體絕緣接頭，發達國家如美國和西德已用整體埋地型絕緣接頭取代了絕緣法蘭。我國天然氣總公司也研制了類似絕緣接頭，并在工程上使用，這在城市管網中使陰極保護的普及更為經濟和方便 [1] 。

2 研究現狀

2.1 船體的陰極保護

2.1.1 犧牲陽極陰極保護

它是通過在船體外表面安裝充當陽極的被犧牲掉的金屬塊，以保護作為陰極的船體鋼板不被腐蝕。目前，船體使用的犧牲陽極有鋅-鋁-鎘三元合金、高效鋁合金陽極、鐵合金陽極等。各種不同船型所采用的犧牲陽極型號和數量是根據船體各部位的形狀、面積和環境情況專門設計的。

船舶犧牲陽極主要為鋅合金陽極和鋁合金陽極兩種。我國于20世紀60年代主要參照美國標準開始研究工作，于70年代成功的研制出了鋅-鋁-鎘合金犧牲陽極，并廣泛應用在海軍和民用的船舶及港工設施的防腐上，取得了重大的社會經濟效益。在“七五”“八五”期間，對高效鋁合金犧牲陽極進行科研立項，并研制出電流效率大于90%的鋁合金犧牲陽極，其主要成分是鋁-鋅-銦-鎂-鈦，現在船舶上安裝的犧牲陽極正逐步由高效鋁合金陽極取代鋅合金陽極和普通鋁合金陽極。隨著使用環境的變化，現在一種高活化鋁合金犧牲陽極已經研制出來，其電流效率高于90%，主要成分是鋁-鋅-銦-鎂-鎵-錳，它在全浸區的電化學性能與高效鋁陽極基本相同，但在間浸區性能要優于高效鋁陽極，因此更適合在干濕交替的海水介質中使用 [2] 。

2.1.2 外加電流陰極保護

它是利用只起導電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和鋼板之間加一直流電源，并通過海水構成回路。電源向鋼板輸入保護電流，使鋼板成為陰極而得到保護。該外加電流保護系統由恒電位儀（外加電源）、參比電極、不溶性輔助陽極及接地裝置等組成。整個系統使船體電位始終處在保護電位范圍內。而生鐵、石墨、銀或者鍍鉑的鈦常被用作陽極材料。

相對于犧牲陽極陰極保護技術，外加電流陰極保護具有系統保護壽命長、輸出電流大且可以根據需要進行調節等優點。我國外加電流陰極保護系統自20世紀60年代開始進行研究，隨著其技術的成熟，已經廣泛應用于軍艦和各種類型的民用船舶。該技術一般應用于船舶殼體、螺旋槳、舵等部位的保護。現在外加電流陰極保護技術也取得了長足的進步，主要研究方向以控制電源和輔助陽極為主，兼顧參比電極。

在船艦上常用的輔助陽極主要是鉑-鈦、鉑-鈮，它們具有排流量大，使用壽命長等優點，但價格昂貴，限制了其更廣泛的應用。為降低費用，研制出了鈦基貴金屬氧化物陽極，其工作壽命為25年，電流密度為600A/m 2 ，性能接近鉑復合陽極，且易加工成較大尺寸，已經在大型船艦上展開應用，由于制造成本的降低，在腐蝕的其他領域也得到廣泛應用。為規范陰極保護系統的設計、安裝和使用，制定了GB 8841-1988《海船犧牲陽極陰極保護設計和安裝》、GB/T 3108-1999《船體外加電流陰極保護系統》、GB 7788-1989《船舶與海洋工程陽極屏蔽涂料通用技術條件》、GJB 157-1986《水面艦船犧牲陽極保護設計和安裝》等標準 [3] 。

2.2 管道的陰極保護技術

我國研究陰極保護技術首先在船舶、閘門等鋼鐵構筑物上得到應用。埋地油氣管道的陰極保護于1958年小規模試驗，60年代在新疆、大慶等油氣管道上推廣，1965年在渾河水閘上使用。1970年長輸管道開始建設時，陰極保護已是必需的技術，它可以成功控制埋地管道的腐蝕，延長管道的壽命，為管道的安全生產提供技術保證。陰極保護技術在Davy發明后，直到20世紀30年代才在管道上推廣使用。《法國煤氣》雜志曾報道過， 德國有1.7萬km、法國有2萬km、蘇聯有6萬km、美國則有64萬km管道施加了陰極保護 [4] 。

2.2.1 犧牲陽極法

它是將比需要保護的金屬或合金電位更低的金屬或合金，共同放置于同一個溶液中，因電位更低，在溶液中比被保護金屬更快的溶解，釋放出電流，從而保護了需要保護的金屬，防止被腐蝕。常用的犧牲陽極材料有鎂和鎂合金、鋅和鋅合金和鋁合金等，碳鋼也可以作為陽極材料用于某些電位較正金屬（如銅合金、不銹鋼等）在鹽水、海水環境中的保護。

（1）鎂基犧牲陽極

鎂基犧牲陽極有純鎂、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金等三類，其共同的特點是密度小、理論電容量大、電位負、極化率低，對鋼鐵的驅動電位大（>0.6V），適用于電阻率較高的土壤和淡水中金屬構件的保護，但不足之處是它的電流效率不高，通常低于50%，其中性能較好和獲得廣泛應用的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn合金；

（2）鋅基犧牲陽極

鋅基犧牲陽極種類較多，有純Zn、Zn-Al、Zn-Al-X、Zn-Sn、Zn-Hg系等。早期使用的都是純Zn陽極，近年來鋅合金陽極開始得到廣泛應用。鋅陽極自腐蝕速率小，電流效率高，極化效率高，使用壽命長，具有自動調節電流的特性，使用時沒有過保護的危險。適用于海水、鹽水及低電阻率（<15Ωm）的土壤環境，在潮濕土壤中電阻率可放寬到30Ω？m。鋅合金陽極在使用中不發生析氫反應，碰撞到鋼構件時不會誘發火花，是唯一可用于油罐保護的陽極；

（3）鋁基犧牲陽極

鋁電位介于鎂和鋅之間，表面極易鈍化，常以合金方式使用。鋁的原料來源廣，制造工藝簡單，是犧牲陽極品種中的后起之秀。常用的有Al-Zn-Hg、Al-Zn-Sn、Al-Zn-In等系合金。鋁的理論電容量是2980A?h/kg，是鎂的1.35倍，鋅的3.6倍；鋁合金陽極具有電容量大、壽命長、質量輕、易安裝等特點，在海水等介質中性能良好，可廣泛用于海洋環境中鋼鐵設施（如海上鉆井平臺、海底管道等）的保護，在海水環境中有取代鋅合金陽極的趨勢 [5] 。

2.2.2 強制電流法

強制電流法的作用機理是與犧牲陽極保護不同的，它主要是從外部加入電流，將需要被保護的金屬陰極化，達到和陽極保護法相同的措施。強制電流法的構件包括穩定的直流電源、輔助陽極等。按溶解性劃分，輔助陽極分為不溶性、可溶性、微溶性三大類陽極。強制電流法可提供較大的保護電流，具有保護距離長、方便調節電流和電壓、使用范圍廣，主要適用于長輸油管道以及當雜散電流引起的管地電位變化超越犧牲陽極的保護能力的情況。該方法是利用恒電位儀，將電流通過陽極輸入到管道輸出土壤中，流動到金屬管道，從管道上連接的陰極電路回流到恒電位儀，相應地變化電流輸出值，把變化的電位穩定控制在保護電位范圍，使通電點位置電位保持穩定，起到改變陰極電位來實現陰極保護。

2.2.3 排流保護法

排流保護法的機理就是為有其他雜散電流干擾的情況下，利用排除方法，對需要保護的構件進行保護的方法。它有三種主要措施：（1）直接排流，該方法需要外接電源，在穩定的情況下，該穩定電流可以保護金屬或合金，排除其他干擾電流。該方法需要謹慎使用，如果采用不當，就會造成更大的干擾，甚至是危險；（2）極性排流，因為二極管具有單向通過性的作用，只可以通過一方電流，在有正負干擾的電流情況下，插入二極管，可以保證電流通過一個方向，從而保護金屬體；（3）強制排流，上述二種方法只能在排流時才能對保護體施加保護，如果不是排流期間，就無法起到保護作用，這樣就需要強制排流的方法，利用恒定的整流器產生電流，從而達到保護作用 [6] 。陰極保護是管道防蝕必需的技術，在國內發展參差不齊，石油系統較好，長輸管道都很重視，可做到與管道同步設計、施工、投產，長輸管道的壽命達30年以上。近些年國內的陰極保護已達到國外先進水平，可在獨立完成工程的設計和施工，一些產品已遠銷歐美國家，但也有不足，體現在軟件、電器設備及遙測技術上。

3 應用進展

下面分別就陰極保護技術在船舶、鋼筋混凝土、海洋平臺、管道等方面應用以及陰極保護技術的進展情況進行介紹。

3.1 船舶陰極保護

陰極保護技術已經成為世界各國艦船必不可少的防腐技術，在艦船殼體、推進器、內艙、冷凝器和海水管路系統等部位得到了廣泛應用，其明顯的保護效果和經濟效益得到了世界防腐領域及海軍的普遍認可，每艘艦船均采取了不同類型的陰極保護技術進行防腐。目前，艦船陰極保護的發展仍是各國海軍和腐蝕防護研究人員關注的熱點，大批的科研人員對陰極保護系統的設備、材料、陰極保護理論計算和設計技術進行深入研究，以達到延長保護年限、提高陰極保護系統可靠性和自動化程度、降低保護費用的目的。

犧牲陽極保護技術的發展趨勢是以新型的鋁合金陽極替代傳統的鋅合金陽極，延長保護壽命，降低保護費用。目前艦船普遍采用的是鋅合金犧牲陽極保護，由于其存在比重大，理論電容量小等缺點，一般設計使用壽命只有2～3年，已不能滿足與艦用長效防腐防污漆配套使用達5年保護期的要求。外加電流陰極保護技術越來越多地應用于艦船殼體的腐蝕保護，其優點是設計保護壽命長、電位、電流可調節性強，但目前仍存在可靠性和經濟性較差等缺點，未來的發展趨勢是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩定性等方面的改進，提高外加電流系統的可靠性和降低保護費用，延長保護年限 [7] 。

前些年船舶陰極保護設計技術基本上都是采用傳統的保守方法，參數的選擇和輔助陽極的位置布置一般根據設計者的經驗來確定，人為因素較多。由于計算機技術的迅速發展，數值計算方法開始被運用到陰極保護領域，可以更加有效地估算被保護船體的電位分布，評價陰極保護效果。陰極保護中應用的數值方法經歷了有限差分法（FDM）、有限單位法（FEM）和邊界單元法（BEM）等階段。其中邊界單元法較其它兩種方法適應性更廣和準確性更高，目前已經將其應用于陰極保護設計，并有了較成熟的計算機軟件。我國船舶陰極保護設計技術在科研人員的努力下，已取得了令人矚目的成績，相信隨著國家科技進步和經濟實力的增強，我國船舶陰極保護技術將會為艦船發展提供更強有力的支持。

3.2 鋼筋混凝土陰極保護

鋼筋發生腐蝕多是因為氯離子的滲入和空氣中的二氧化碳在混凝土中發生碳酸化作用造成的。現在對鋼筋混凝土采用的電化學保護是陰極保護，它通常與涂料聯合使用。海洋環境鋼筋混凝土設施主要包括采油平臺、碼頭、跨海大橋及海岸建筑物等，大量的調查研究顯示，鋼筋腐蝕是導致海洋環境鋼筋混凝土結構腐蝕破壞的最主要原因，氯離子、氧和濕氣是影響鋼筋腐蝕最重要的因素。用傳統的局部打補丁方法對處于這些環境條件下的建筑物進行維修，效果很差或者說是無效的。

陰極保護是防止金屬在電解質溶液中腐蝕最為有效的電化學保護技術，在過去的100多年里陰極保護技術被廣泛應用于海水和土壤中各類鋼結構的保護，效果早已被大量的長期工程實踐所充分證明 [8] 。與此同時，陰極保護的應用領域不斷擴大。1973年，Strufull等人將外加電流陰極保護應用到美國50號國道位于加州斯萊公園的鋼筋混凝土公路橋上，開辟了陰極保護在鋼筋混凝土結構中的應用，此后，這種方法在國外得到迅速發展和廣泛應用，目前美國混凝土協會己經認可將該技術用于鋼筋混凝土結構的維修和保護。美國聯邦高速公路管理局（FIIWA）自1975年起，開始將陰極保護技術應用于鋼筋混凝土的停車庫、橋梁和隧道中，并于1982年指出：“陰極保護是已經被證實的唯一能夠制止鹽污染橋面板腐蝕的維修技術，無論混凝土中的氯化物含量如何”。 [9] 在弄清橋梁中的鋼筋腐蝕的主要原因之后，專家提出了用高硅鑄鐵陽極和用焦碳填充的導電瀝青組成的外加電流陰極保護系統，并于1974年應用于橋面板。從此以后，全世界已有約1×106m 2 的鋼筋混凝土結構采用了陰極保護。

3.3 海洋平臺陰極保護

海洋平臺陰極保護既可以采用外加電流法也可以采用犧牲陽極法，也可以將兩種方法聯合應用。幾種平臺外加電流陰極保護方法用于海洋平臺保護的比較如表1所示。

表1 幾種平臺外加電流陰極保護方法的比較 ^[10]

3.4 管道陰極保護

長輸管線普遍應用陰極保護技術，且運行良好。如西氣東輸一、二線，陜京一、二、三線，西南成品油管線等大量的油氣輸送管線和各種長距離輸水供水壓力管道等都采用了有效的陰極保技術。油氣田的集輸管線大多實施了陰極保護并不斷完善，各個油田的外輸管線在設計初期就進行了保護方案設計，并且在施工過程中做到了與主體管道同時施工。區域性陰極保護也越來越多地開展，城鎮市政管網已更多地采用了陰極保護，以有效控制和減少腐蝕事故損失，確保生產安全。如北京燃氣、深圳燃氣、福州燃氣、鄭州燃氣、西安燃氣等諸多城市燃氣供應管理企業紛紛采用區域性陰極保護加強埋地管網的腐蝕控制管理。有許多企業在自控區域范圍內進行陰極保護，如眾多石化廠區、油氣田集輸管網、油氣場站的綜合地下設施等紛紛采取區域性陰極保護，大量已建在建的石油儲備庫群均要實施陰極保護 [11] 。

目前我國油氣管道長度約10余萬公里，根據“十二五”規劃，到2015年我國油氣管道將建設達到14萬公里以上，國家石油戰略儲備最終要從36天達到90天的消費能力，發展潛力巨大。隨著技術進步和標準體系的建設完善，近年建設的輸送油氣等危險物料的地下管網多實施了防腐層和陰極保護的組合腐蝕控制技術，在役埋地管網正逐漸完善陰保技術，但尚存大量工作有待完成。南水北調北京段預應力鋼筋混凝土PCCP管段也采用了陰極保護技術。陰極保護的石油行業標準也都上升到了國家標準，GB/T 21448-2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》、BS 7361、ISO 15589-1、NACE RP0169 標準都對陰極保護技術的應用做了詳盡的規定，陰極保護技術在長輸管線的防腐保護中得到了認可。

3.5 陰極保護技術的進展

陰極保護技術廣泛應用于各領域中，對相關金屬構件的防腐具有重要的作用，是一種經濟有效的電化學保護技術。其中犧牲陽極法具有無需外加輔助電源，對臨近建筑物產生的雜流干擾很小，甚至無干擾，適用范圍廣等優點。該方法要求：陽極電位需足夠負且穩定；有較高的電流效率；電化學當量高；陽極極化率較小且易活化；合金溶解均勻，不產生局部腐蝕，腐蝕產物松軟易脫落且無公害；陽極材料來源充足，便于加工，價格低廉等。

現在大部分深海工程裝備采用犧牲陽極進行保護，包括：（1）石油平臺及管匯。全世界90%以上的石油平臺樁腿采用犧牲陽極保護，用焊接方法安裝在樁腿上。深海環境中，犧牲陽極用于保護采油樹及管匯等；（2）海底管道。海底管道特別是深海管道，主要采用涂層聯合犧牲陽極技術進行防護。犧牲陽極采用鐲式Al-Zn-In-Si犧牲陽極；（3）深潛器。深潛器采用涂層聯合犧牲陽極保護進行腐蝕防護。深潛器一般由耐壓結構和非耐壓結構組成，耐壓結構材料強度高，采用Al-Ga低驅動電位犧牲陽極進行保護；而非耐壓殼體處于壓力交變、干濕交替的服役環境，采用高活化犧牲陽極進行保護 [12] 。

外加電流保護技術越來越多地應用于船舶等裝備的腐蝕保護，其最大優點是只需安裝較少的輔助陽極即可滿足防護需求，設計保護壽命長，電位、電流可調節性強，保護度可調，但目前仍存在可靠性和經濟性較差等缺點，其技術難度更高，且需要外加電源，不適合深海工程裝備的防腐。它主要用于石油平臺和大型船舶陰極保護，還用于犧牲陽極消耗完采油平臺的后期防護。未來的發展趨勢是通過在恒電位儀的可靠性、輔助陽極的排流量、參比電極的長期穩定性等方面的改進，提高外加電流系統的可靠性和降低保護費用，延長保護年限。

外加電流陰極保護的電位精確控制難度遠大于犧牲陽極陰極保護。使用外加電流陰極保護技術對海洋工程裝備，特別是由高強鋼制造的深海工程裝備進行陰極保護時，必須根據環境特點精確設計，并用陰極保護電位檢測系統測量保護電位，避免輔助陽極附近電位過負，評估工程裝備產生氫脆失效的風險。

近年來，陰極保護在技術和應用范圍上都得到了較大的發展。油氣輸送站場的區域陰極保護技術發展迅速；一些先進的分析計算與測量技術與傳統的陰極保護相結合產生陰極保護數值模擬計算技術、陰極保護探頭監測與無線傳輸技術，大大提高了陰極保護設計和維護管理水平；同時隨著油氣管道、高壓電網、城市軌道交通等基礎設施建設的迅速發展，交、直流雜散電流干擾日益嚴重，對傳統陰極保護提出了許多新的問題和需求，在解決實際生產技術需求的同時，交、直流雜散電流的腐蝕理論、評價體系、排除技術也得到進一步完善 [13] 。

目前，陰極保護技術與多種學科互相滲透，已形成高新技術開發的新局面。隨著我國經濟建設規模的擴大和不斷深入，將促進陰極保護技術在以下方面進一步發展：（1）應用領域進一步擴大，由傳統管道行業向其他行業延伸，由金屬結構物外腐蝕控制向內腐蝕控制發展，如設備內壁外加電流陰極保護技術的研究及應用；（2）先進陰極保護數值模擬計算及數據遠程控制技術的進一步完善及推廣應用；（3）動態直流雜散電流的判別，交流腐蝕機理及交、直流干擾有效排除技術的深入研究；（4）深海環境金屬結構物陰極保護實施關鍵技術問題的研究；（5）高性能犧牲陽極及輔助陽極材料的研發與產業化。

4 結語

陰極保護技術作為一項效果好、應用廣泛的防腐蝕技術，其效果已經得到大家的認可。在我國，它早期主要應用于石油化工、船舶等領域，近年來隨著東海大橋、杭州灣大橋等修建，在橋梁、港口等眾多領域得到了推廣。相信隨著眾多領域對腐蝕控制的重視，經過廣大防腐蝕工作者的努力，陰極保護將得到更大發展，為更多構筑物、設備提供防腐蝕保護。

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