朱錫昶  水利部交通運輸部國家能源局南京水科院研究所腐蝕與防護研究室主任，教授級高級工程師

    近些年來，國際上關于陰極保護的進展主要在技術發展和工程應用方面，陰極保護設備、材料和配套裝置等日臻完善，檢測、監控技術和管理系統更加先進，應用領域不斷擴大，相應地各國先后制定了一系列陰極保護規范和標準。為了全面了解陰極保護技術的發展、在工程領域里的應用狀況以及其標準的制定，以探討海洋工程陰極保護技術未來的發展趨勢，本刊記者邀請了國家能源局南京水科院研究所腐蝕與防護研究室主任朱錫昶教授做相關方面的精彩解讀。

    朱錫昶教授，長期從事港工、水工金屬結構鋼筋混凝土結構腐蝕與防護的研究工作。主持過國家公關及部級重點科研項目，主持過各類工程應用項目，他研究的“水工鋼閘門犧牲陽極保護技術”成為水利部重點推廣項目在全國推廣應用，他主持制定或參與制定過電力行業標準《水電水利工程金屬結構設備防腐蝕技術規程》，新能源行業標準《海上風電場鋼結構防腐蝕標準》、國家標準《大氣環境混凝土中鋼筋的陰極保護》等等。下面請隨記者進入精彩訪談。

    記者：您長期從事水工、港工鋼與鋼筋混凝土結構腐蝕與防護研究工作，請您談一下陰極保護技術中在我國港工、水工工程中應用的發展歷程，目前有哪些關鍵的陰極保護技術？

    朱教授：1834 年法拉第發現了腐蝕質量損失與電流之間的定量關系，為陰極保護奠定了科學理論基礎。1890 年愛迪生提出采用強制電流保護船舶的設想，1902 年 K. 柯恩成功實施了船舶的外加電流陰極保護。1828 年美國“陰極保護之父”羅伯特 J. 科恩真正把陰極保護用于長距離輸氣管道的工程上，并提出了保護電位、保護電流密度等技術參數。

    美國，西德、法國、日本等相繼從五十年代開始，在海港工程上應用外加電流陰極保護技術。日本在 1953 年名古屋港萬噸級泊位上成功實施了外加電流陰極保護碼頭鋼板樁。

    我國從六十年代起開展陰極保護的研究工作。首先在江蘇三河閘、安徽巢湖裕溪口船閘鋼閘門、浙江烏溪江中型水電站引水鋼管內壁等水工鋼結構上進行“涂料加外加電流陰極保護”的試驗，取得了成功。開啟了陰極保護在水利工程領域的應用，并獲得了 1978 年全國科學大會獎。

    1974 年由南京水利科學研究院、中科院海洋研究所、交通部三航局科研所、上海新康玩具廠組成攻關小組，1975 年完成對陳山原油碼頭 379 根鋼管樁的外加電流陰極保護。1975 年起對鋼板樁碼頭進行外加電流陰極保護試驗研究，1977 年對連云港新建的兩個萬噸級泊位的鋼板樁碼頭實施外加電流陰極保護，經過維修改造至今仍在繼續使用，取得了良好的保護效果。

    上世紀 30 年代至五十年代，前蘇聯、德國、英國、比利時等國家先后采用犧牲陽極技術控制埋地管道的防腐蝕，1945 年起加拿大就廣泛采用鋅陽極保護海洋船舶。在 1966 年和 1967年 , 美國 DOW 化學公司先后成功的研制了 GalvalumI 陽極和 GalvalumII 陽極，使得鋁合金陽極在海洋工程中得以廣泛使用。

    在我國八十年代初隨著經濟的發展，有色金屬冶煉工業的進步和鋁合金犧牲陽極材料的研發成功，犧牲陽極陰極保護技術得到了推廣應用。1985 年在湛江港進行了犧牲陽極發射電流、陰極保護成膜等實驗研究，成功的對湛江港 800m 長鋼板樁碼頭實施了犧牲陽極保護。1986 年對丹東港大東港區 3 號泊位鋼管樁進行犧牲陽極保護進行設計，1988 年 7 月實施完成大型鋼管樁碼頭的犧牲陽極陰極保護。

    陰極保護技術得益于電偶腐蝕的發現，即犧牲陽極保護的雛形，成功和發展于外加電流陰極保護技術。但外加電流保護技術因有眾多的電纜、電極及儀器設備，受外界環境影響因素比較大，易于損壞，管理、維修管理工作繁多，大多港工、水工陰極保護工程均因管理問題而導致停用或失效。因此，陰極保護技術普及于犧牲陽極。目前在我國大多港工、水工鋼結構廣泛采用無需管理維護的犧牲陽極保護。水利部將鋼閘門犧牲陽極保護技術列為“水利部科技成果重點推廣項目”，并被認定為水利先進實用技術進入“水利先進適用技術重點推廣指導目錄”。

    港工、水工鋼結構陰極保護技術已日趨完善、成熟，目前重點需要研究和解決的是混凝土中鋼筋的陰極保護。鋼筋混凝土結構是目前應用最為廣泛的結構形式，氯化物引起鋼筋腐蝕造成鋼筋混凝土結構，如海洋大橋、海港碼頭、沿海建筑物、使用除冰鹽的高速公路和化工廠廠房等，過早發生破壞的現象在普遍存在，而且維修和更換困難，由此造成的直接損失和間接損失都十分巨大。1973 年美國首次將陰極保護技術成功應用于受鹽污染的鋼筋混凝土橋面板的保護，保護效果已為大量的工程實踐所證實。一致認為對于鋼筋腐蝕造成破壞的鋼筋混凝土結構物，陰極保護是唯一長期的有效保護措施。

    80 年代中期，交通部“六五”攻關項目“海工鋼筋混凝土上部結構強制電流陰極保護試驗研究”課題中，在國內率先開展了鋼筋混凝土陰極保護試驗研究，獲得了大量的室內試驗資料和現場應用經驗，但目前鋼筋混凝土陰極保護技術還沒有得到廣泛的推廣和應用，還常采用傳統的局部鑿除的方法進行維修。需要進一步更為廣泛深入細致的開展工作，要使得該技術更為簡潔、經濟、可靠、有效。

    記者：對港工、水工鋼結構 , 由于長期浸泡在海水中，不可避免地遭受海水的強烈侵蝕。為保證結構的正常使用并延長使用壽命，必須采取保護措施，而選擇經濟有效的保護方案非常重要。請您談一下陰極保護技術在其中的應用以及意義。

    朱教授：青島港在 1948 年選用美國柏利恒鋼鐵公司生產的 ZP38 式鋼板樁，建造了 388m 長萬噸級碼頭，1951年投入使用，到 1964 年就發現鋼板樁多處腐蝕成洞，碼頭漏砂不止，1981 年不得不將該碼頭報廢重建，遠低于結構的預期壽命。港工鋼結構處于海水、淡水、淡海水或干濕交替的環境中，在電化學作用下不可避免地遭受腐蝕，使得構件斷面減少、腐蝕穿孔，物理力學性能下降，樁基變形，上部塌陷，結構承載力下降，安全度降低，影響結構安全運行，使用壽命縮短，不穩定因素增加和造成巨大經濟損失。

    金屬的腐蝕是由于腐蝕電池的作用，屬于電化學腐蝕。陰極保護法是一種從根本上抑制電化學腐蝕的方法。陰極保護不僅可以防止水下鋼結構的均勻腐蝕，而且還能有效防止各種局部腐蝕，如點蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等，使被保護結構物的使用壽命成倍延長，具有保護效果好，投資少，經濟效益明顯等特點。

    外加電流和犧牲陽極陰極保護兩種方法均適合于港工、水工鋼結構物的保護，各有其優缺點，一般應根據保護面積、結構形式，水質狀況，管理水平以及初期投資加以選擇。

    目前水利水電工程腐蝕狀況較以前更為嚴重，主要是水質污染加劇。水質污染造成pH值變化較大，有害離子增多，水體電阻率降低，加速了金屬結構的腐蝕；另外水質污染造成水中溶解氧減少，而發生厭氣性微生物增殖，產生硫化氫等加速了金屬的腐蝕。嚴重污染水域鋼的腐蝕速度是無污染地區的幾倍甚至幾十倍。其次是目前設計的一些水利水電金屬結構，為保證預埋件的耐蝕性，往往會采用一些不銹鋼構件，如閘門導軌板、底坎、止水壓板以及不銹鋼螺栓等，不銹鋼同鋼閘門以及同閘門表面的噴鋅（鋁）層有 0.3V ～ 0.6V 的電位差，形成電偶腐蝕電池，不銹鋼構件得到保護，鋼閘門或噴鋅（鋁）層加速腐蝕，涂層早期失效的事例經常發生。對于在污染水質及異種金屬接觸的狀況下，采用陰極保護更為合適和需要。

    記者：您主持過各類工程應用項目，承擔過國家多個大、中型工程的科研項目，解決了眾多關鍵性的技術難題，在這眾多工程應用項目中，請您分享一下您的感受。

    朱教授：總體來說，近年來對一些大型工程，腐蝕與防護越來越重視。但還存在著一些問題。

    首先我國的防腐蝕專業人才還普遍不足，各設計院專業從事腐蝕與防護的人員少之又少，大多都為兼職，管理使用單位也大多沒有設置專業防腐蝕的技術崗位。一個大型工程的使用壽命、維護維修工作量、結構安全性的保障和工程最初的防腐蝕設計及日常技術管理是緊緊關聯的。考慮周全，措施得當，技術可靠，保護壽命長的防腐蝕方案會得到事半功倍的效果。歐美國家一般把防腐蝕設計、管理作為獨立的一部分，而又全過程的融合在管理系統之中，值得我們借鑒。

    其次，我們的大多業主和管理部門更傾向于被動的腐蝕控制，初期為節省投資最先減少的是防腐蝕的投資，當出現嚴重腐蝕時再保護處理，而不是前瞻性的預防性的采取措施。國外學者曾提出“五倍定律”的說法，在新建鋼筋混凝土結構防護方面減少投資 1 萬元，發現鋼筋腐蝕時就立即采取防護措施，此時花費 5 萬元，等到混凝土順筋開裂時修復、防護，則需要 25 萬元，再到混凝土大面積脫落、鋼筋嚴重腐蝕、承載力明顯下降時再進行修復、加固、防護處理，則需要 125 萬元。前瞻性的預防性的防護措施是非常重要的。

    再次，防腐蝕質量有待提高。其中包括管理者水平和要求，防腐蝕材料的質量，施工人員的素質和驗收的程序、標準等。印象比較深的是上世紀 90 年代我國新建的某個 10 萬噸級碼頭，鋼管樁采用環氧瀝青涂層，用指甲都能把涂層摳下來，幾乎就是瀝青，經過裝船、吊裝、施打涂層破壞達到 20%，經詢問大約每平方米不到 60 元人民幣，防腐蝕效果可想而知；同期在國外碼頭考察時，同樣是鋼管樁樁基，車間加工好環氧瀝青涂層，锃亮、牢固，打樁后幾乎看不到任何破損，造價達到每平方米 60美元。不是我們做不好，做不到，而是重視不夠，重量不重質，要求比較低。

    記者：您主持制定過很多行業標準，參加過有關國家標準的制定，請您談一下制定行業發展標準，對于陰極保護技術的發展有哪些重要的推動作用？

    朱 教 授：2003 年 財 富（Fortune）雜志選出 5 項排名第一的趨勢是標準化（Standardization）。標準是國民經濟和社會發展的重要技術支撐。標準在經濟、生活及各個方面中所起的作用越來越大，同樣對陰極保護技術的影響作用也很大。

    一、標準的制定推動了陰極保護的發展和普及。在交通行業 JTJ230-1989“海港工程鋼結構防腐蝕技術規定”發布之前，我國港口采用陰極保護技術的屈指可數，規范規定了陰極保護的計算方法，參數選擇，材料性能要求等，使得更多的專業技術人員能夠掌握和運用該項技術。目前鋼樁樁基沒采用陰極保護技術的少之又少；同樣在水利行業之前的 SL105-95“工金屬結構防腐蝕規范”沒有把陰極保護作為主要防腐蝕措施寫進規范，全國幾乎很少的水工結構采用陰極保護，在 SL105-2007 改編后增加了犧牲陽極保護措施，目前閘門、攔污柵等水工鋼結構采用犧牲陽極保護的越來越多。

    二、標準的制定有利于提升行業防腐蝕水平。陰極保護具有投資少和保護效果好的特點，對水下金屬結構的防腐蝕具有不可替代的優勢。水利行業的鋼閘門，淡水閘門每隔 3 ～ 5 年就要進行噴砂除銹，涂刷油漆，擋潮閘 2 ～ 3 年就要對涂層進行維修，有的甚至每年都要做局部維修。維修期間產生大量粉塵，釋放有害的 VOC，造成對空氣和水質的污染，采用陰極保護可以達到 15 ～ 20年不用涂裝和維修，既減少了經費的投入也減少了對環境的污染，同時提高了設備的使用性和安全性。把陰極保護列入行業規范，提升了整個行業的防腐蝕技術水平。

    三、規范的制定有利于質量的控制和提高。日本著名質量管理專家石川馨教授在總結日本質量管理經驗時說，“沒有標準化的進步，就沒有質量的成功”。規范、標準本身就是一種技術法規，大多規范都把技術要求和驗收標準列入條款，就成為各方必須共同遵守的技術依據，也具有法律上的約束性。規范的制定便于檢查、驗收，有利于陰極保護工程質量控制和提高。

    記者：請您談下未來陰極保護技術的發展趨勢？

    朱教授：在我國陰極保護使用已有50 多年的歷史，該技術已日趨成熟和廣泛應用，并都取得了良好的保護效果。當然任何技術的發展都是無止境的，陰極保護技術需要更加規范化、施工安裝簡便化，運行更可靠，做到無人值守，無需管理。

    一、深海陰極保護技術的研究。中共十八大報告提出提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，建設海洋強國。開采海洋中的石油天然氣及各種礦產資源，建設深海風電等，混凝土結構往往力不從心，需要使用大量的鋼結構。而陰極保護技術在深海環境中的行為研究還較少，如風浪大、流速快、環境惡劣，深海中難以形成陰極保護產物膜等。涉及到保護標準，保護電流密度的取值，以及陽極保護半徑等技術參數的研究。

    二、氣相環境下陰極保護技術。陰極保護廣泛用于土壤、水下等環境，大氣環境下的腐蝕更是面廣量大。氣相環境下陰極保護技術就是不依賴電解液（水）在沒有持續電解液的大氣條件下，把陰極電流加到被保護結構物或設備上，提供防腐蝕保護。國外相繼開發出混凝土中鋼筋陰極保護，汽車陰極保護等技術，并得到廣泛應用，在我國起步較遲，應用還不廣泛。

    三、基于數值計算的陰極保護技術。早期陰極保護的參數確定，主要靠室內試驗，現場試驗，目前還是依靠經驗公式和經驗數據來確定一些參數，由于環境條件的變化誤差較大，需要更為精確的計算和設計。前人已做了大量的研究工作，但還沒有公認的簡潔的設計計算方法。

    四、智能化檢測和控制。腐蝕普遍性、隱蔽性、漸進性和事故突發性，腐蝕控制效益的滯后性和間接性，有時不能被直觀的了解和重視。隨時監控腐蝕狀況，腐蝕對結構的承載能力的影響，對重要建筑物和設備是十分必要的。對陰極保護的保護電位、保護電流的輸出及保護效果進行監控，體積小、精度高的傳感器研發，自動保護，無人值守，自動報警，顯示故障原因和自動切換和修復，還需要進一步的研究和發展。

    后記：

    陰極保護作為港工、水工構筑物重要的防護措施，已有上百年的歷史，隨著陰極保護技術在深海環境中的行為研究的深入，相信會不斷地涌現出新技術、新產品、新方法、新思路！

    人物簡介

    朱錫昶，1957 年出生。水利部交通運輸部國家能源局南京水科院研究所腐蝕與防護研究室主任，教授級高級工程師。

    長期從事港工、水工金屬結構鋼筋混凝土結構腐蝕與防護的研究工作。主持或參加國家公關及部級重點科研項目 10 余項，多項成果經部級鑒定，分別達到國際領先、先進或國內領先水平。主持過各類工程應用項目百余項，為國家多個大、中型工程進行了科研、設計和咨詢工作，并負責承擔多個國際合作項目。

    研究成果“水工鋼閘門犧牲陽極保護技術”作為水利部重點推廣項目在全國推廣應用，取得了良好的社會效益和經濟效益。

    主持制定或參與制定電力行業標準《水電水利工程金屬結構設備防腐蝕技術規程》，新能源行業標準《海上風電場鋼結構防腐蝕標準》、《水電工程金屬結構涂層強度拉開法測試規程》、水利行業標準《水工鋼結構防腐蝕規范》、國家標準《大氣環境混凝土中鋼筋的陰極保護》。編著出版了《混凝土中鋼筋的陰極保護》、《橋梁鋼筋混凝土結構防腐蝕》、《混凝土結構腐蝕控制 - 鋅與鋅合金的應用》、《水閘安全評估與分析》、《水利水電工程水工結構腐蝕及案例分析》等專著。在國內核心期刊或國際會議交流發表論文 100 余篇，其中在“Materials Performance”等國際期刊上發表 SCI 論文 14 篇，獲得水利部大禹獎一等獎一項，獲交通部科學技術獎二等獎一項、三等獎一項。