杜翠薇 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授，博士生導(dǎo)師

    資料顯示，腐蝕造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然災(zāi)害、各類事故損失的總和。探索材料腐蝕機(jī)理，發(fā)展行之有效的防腐蝕措施，是全世界科研學(xué)者孜孜不倦的共同追求。近年來，隨著社會進(jìn)步和科技發(fā)展，作為材料腐蝕防護(hù)的重要手段，陰極保護(hù)技術(shù)無論在應(yīng)用范圍還是在先進(jìn)技術(shù)上都得到了較大的發(fā)展。陰極保護(hù)技術(shù)是一種電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，其核心是在電解質(zhì)環(huán)境中，將金屬的電位向負(fù)向移動，以達(dá)到免蝕電位。該技術(shù)已經(jīng)基本成熟，廣泛應(yīng)用到土壤、海水、淡水、化工介質(zhì)中的鋼質(zhì)管道、電纜、鋼碼頭、艦船、儲罐罐底、冷卻器等金屬構(gòu)筑物的腐蝕控制。

    為更全面地了解陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程、研究熱點和應(yīng)用前景，進(jìn)一步提高人們的腐蝕防護(hù)意識，記者特邀中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會常務(wù)副秘書長、北京科技大學(xué)杜翠薇教授做相關(guān)精彩解讀。

    杜翠薇，北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授，博士生導(dǎo)師，國家材料環(huán)境腐蝕平臺副主任，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會常務(wù)副秘書長，長期從事材料腐蝕與防護(hù)研究工作。

    記者：多年來您一直從事材料腐蝕與防護(hù)方面的工作，您的研究領(lǐng)域較廣，主要包括土壤腐蝕、陰極保護(hù)等。請您談?wù)劜牧细g與防護(hù)的重要性及意義？

    杜教授：我主要從事土壤腐蝕研究，對于埋地的最重要的設(shè)施就是一些輸油、輸氣、輸水的管道，這些管道一直被譽(yù)為“生命線”。管道一旦腐蝕，不僅會帶來財產(chǎn)損失，有時甚至?xí)砣嗣裆耐{和環(huán)境的污染。至今仍然記憶猶新的是 2013 年 11 月 22 日位于青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的東黃輸油管道原油泄漏現(xiàn)場發(fā)生爆炸，造成 63 人遇難、156 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失人民幣75172 萬元。事故發(fā)生的直接原因是：輸油管道與排水暗渠交匯處管道腐蝕減薄、管道破裂，原油泄漏流入排水暗渠，現(xiàn)場處置人員采用液壓破碎錘在暗渠蓋板打孔，產(chǎn)生撞擊火花，引發(fā)暗渠內(nèi)油氣爆炸。由中國工程院侯保榮院士牽頭的最新腐蝕調(diào)查顯示，2014 年中國腐蝕總成本超過 2.1 萬億元人民幣，約占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的 3.34%，相當(dāng)于每個中國人當(dāng)年承擔(dān) 1555 元的腐蝕成本 , 而其中 25%-40% 的腐蝕成本可以避免。腐蝕涉及安全、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)文明，成為影響國民經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。材料腐蝕與防護(hù)問題必須得到重視。

    材料自身的升級、有機(jī)無機(jī)涂鍍層、緩蝕劑、電化學(xué)保護(hù)一直以來是材料腐蝕與防護(hù)的重要手段。如果在條件允許的情況下，選擇高級別的材料無疑是最佳的選擇，但往往由于性價比的考慮，選擇合適的材料輔以一定的防護(hù)措施更為廣大業(yè)主所接受。一般來說有機(jī)無機(jī)涂鍍層起到隔離的作用，在大氣、土壤、水環(huán)境及其他工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用廣泛。緩蝕劑一般應(yīng)用在相對密閉的環(huán)境，是通過改變環(huán)境或者在材料表面形成緩蝕膜達(dá)到緩蝕的目的。電化學(xué)保護(hù)分為陰極保護(hù)和陽極保護(hù)，一直以來在土壤和水環(huán)境及一些工業(yè)介質(zhì)環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。相比陽極保護(hù)而言，陰極保護(hù)應(yīng)用更加廣泛，特別是在埋地管線、海底管道、海洋平臺、鋼樁、船舶等設(shè)施與涂層一起聯(lián)合使用，為埋地及海洋設(shè)施的安全運行起到了支撐作用。合理選材、合理選擇防護(hù)措施是保證設(shè)備服役安全的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

    記者：請您談?wù)剣鴥?nèi)外陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了哪些階段，近年來有沒有突破性的研究進(jìn)展？

    杜教授：追溯陰極保護(hù)的歷史，不得不提到英國的學(xué)者漢弗萊 . 戴維（Davy）爵士。早在 1812 年，戴維爵士就已經(jīng)提出假說，化學(xué)變化與電性質(zhì)變化是同一的，至少它們都與物質(zhì)的相同性質(zhì)有關(guān)。他認(rèn)為，通過改變物質(zhì)的電性狀態(tài)可以減小或增大化學(xué)反應(yīng)動力。后來戴維在實驗室的大量試驗中發(fā)現(xiàn)，用鋅或鐵可對銅進(jìn)行陰極保護(hù)。隨后戴維就把他的這一研究成果向英國皇家學(xué)會和英國海軍部做了報告，受海軍部委托，1823 年，他獲得批準(zhǔn)對木質(zhì)戰(zhàn)艦的銅包覆層開始實際試驗。并將采用鐵和鋅對銅進(jìn)行保護(hù)的相關(guān)報告于 1824 年發(fā)表，這一年也就被后人列為陰極保護(hù)技術(shù)的開創(chuàng)年代。隨后他又在一些游艇和船上施加了陰極保護(hù)，同樣獲得了良好效果。

    著名科學(xué)家米歇爾 . 法拉第（MichaelFaraday），曾經(jīng)作為戴維爵士的助手，在戴維逝世（1829 年 5 月 29 日）后，在隨后幾年中進(jìn)一步研究了鑄鐵在海水中的腐蝕。他在 1833 年提出了著名的法拉第電解定律，于 1834 年發(fā)現(xiàn)了在腐蝕損耗與電流之間的定量關(guān)系。他的科學(xué)研究和發(fā)現(xiàn)奠定了陰極保護(hù)原理。

    1890 年愛迪生根據(jù)法拉第的原理，提出了強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的思路。十多 年 后，1902 年， 科 恩 （K.Cohen） 成功地將外加直流電流實際應(yīng)用了陰極保護(hù)方法：1906 年，蓋伯特 （Her-bertCeppert）建成了第一個管道陰極保護(hù)站，并于 1908 年 3 月 27 日獲得第一個有關(guān)外加電流陰極保護(hù)的德國專利。美國的卡姆博蘭德 （E.Cumberland） 于 1905 年采用外加電流陰極保護(hù)方法來防止蒸汽鍋爐及其管道系統(tǒng)的內(nèi)腐蝕，并于 1911年 9 月 28 日獲得德國專利，要晚于蓋伯特 3 年多時間。

    哈博 （Haber） 和戈爾德施密特（LColdsbhmidi）于 1906 年在德國煤氣與供水工程師協(xié)會 DVCW 倡導(dǎo)下首次開展了對陰極保護(hù)科學(xué)原理的卓有成效的研究。在“電化學(xué)雜志”上闡述了著名的測量電流密度的哈博方法、土壤電阻的測量以及管道／土壤電傳的測量；哈博使用不極化的硫酸鋅參比電極測量電位。1908 年，麥克考蘭姆 （Mc.Ccllum） 首次采用了硫酸銅參比電極來測量電位，這一技術(shù)沿用至今。1913 年秋在日內(nèi)瓦金屬研究所舉行的一次大會上，人們已經(jīng)把犧牲陽極的保護(hù)命名為“電化學(xué)保護(hù)”。

    1928 年，被后人稱為美國陰極保護(hù)之父的庫恩 （Rohen J Kuhn） 在新奧爾良一條長輸天然氣管線上安裝了第一臺陰極保護(hù)整流器，由此開創(chuàng)了管道陰極保護(hù)的實際應(yīng)用。他通過試驗發(fā)現(xiàn)，保護(hù)電位為 -0.85v（相對于飽和的 Cu/CuSO 4 參比電極）足以防止腐蝕。同年，他將這一陰保判據(jù)在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局華盛頓防腐蝕大會上進(jìn)行了報告。現(xiàn)代陰極保護(hù)技術(shù)一般仍然遵從這一判據(jù)。

    1970 年德國煤氣與供水工程師協(xié)會為紀(jì)念庫恩在陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展中做出的卓越貢獻(xiàn)，制作了鑄有庫恩頭像和著名的 -850mV 字樣的金質(zhì)紀(jì)念章。

    在 20 世紀(jì) 30 ～ 50 年代期間，比利時、前蘇聯(lián)、英國、德國等歐洲國家也先后對埋地管線采用了陰極保護(hù)技術(shù)。日本自 1953 年開始，外加電流陰極保護(hù)得到了廣泛應(yīng)用。

    近些年來，國際上關(guān)于陰極保護(hù)的進(jìn)展主要在技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用方面，陰極保護(hù)設(shè)備、材料和配套裝置等日臻完善，檢測、監(jiān)控技術(shù)和管理系統(tǒng)更加先進(jìn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，相應(yīng)地各國先后制定了一系列陰極保護(hù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

    資料報道 , 我國的陰極保護(hù)技術(shù)研究和應(yīng)用始于 1958 年，上海船舶科學(xué)研究所率先在一艘鋼殼船上安裝鋅合金犧牲陽極。隨后國內(nèi)一些單位也開展了鋅系犧牲陽極研究，一些油田開始在埋地管道上采用犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)。同時，一些科研院所、高校和企業(yè)開展了外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的開發(fā)研究和應(yīng)用。 自 20 世紀(jì) 70 年代以來，我國的陰極保護(hù)技術(shù)和理論研究發(fā)展很快，開發(fā)了許多實用的陰極保護(hù)材料、設(shè)備和配套裝置。相應(yīng)的檢測、監(jiān)控技術(shù)和管理系統(tǒng)也盡可能采用國際先進(jìn)技術(shù)，還陸續(xù)制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

    隨著新時期的發(fā)展，地鐵及特高壓輸電線路的發(fā)展，交直流雜散電流對陰極保護(hù)干擾日益突出，我國的一些高校、科研院所，乃至石油、天然氣、地鐵、電力等相關(guān)公司都陸續(xù)開展有關(guān)交直流雜散電流對陰極保護(hù)的干擾的相關(guān)研究和防止措施研究。在這方面可以說，我國陰極保護(hù)技術(shù)和工程應(yīng)用在許多方面已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平。

    記者：請您談?wù)勱帢O保護(hù)技術(shù)在海洋腐蝕防護(hù)方面的應(yīng)用狀況和研究進(jìn)展？

    杜教授：其實陰極保護(hù)技術(shù)從發(fā)展歷程上看起源于海洋，聞名于陸地。從1824 年到現(xiàn)在近兩百年的時間，陰極保護(hù)技術(shù)在海洋工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如船舶、海上平臺、海底管線、水下油氣生產(chǎn)設(shè)施、浮式石油生產(chǎn)與儲卸系統(tǒng)、跨海大橋、海港碼頭等等。目前固定式海上平臺的導(dǎo)管架、海底管線以及水下生產(chǎn)設(shè)施通常采用犧牲陽極保護(hù)，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物以及處于江河入海口的海洋工程設(shè)施則更多地采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。船舶不同部位大多也采用犧牲陽極系統(tǒng)，個別部位也有用到外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。

    目前應(yīng)用于全浸海水環(huán)境的犧牲陽極已發(fā)展的比較成熟，主要是 Al-Zn-In系犧牲陽極。近年來，一些高校及研究單位針對特殊環(huán)境 / 材料的防腐要求，發(fā)展了一系列的新型鋁合金犧牲陽極材料，包括干濕交替環(huán)境用高活化犧牲陽極、深海犧牲陽極、淡海水用高負(fù)電位鋁陽極、低電位犧牲陽極等，使得犧牲陽極材料體系不斷完善。犧牲陽極的形狀也由傳統(tǒng)的塊狀陽極、鐲式陽極、發(fā)展到 T 型陽極等，另外為提高效率和節(jié)約資源開發(fā)了復(fù)合陽極，即外層采用高負(fù)電位的鎂陽極或鋁陽極，用以提供較大的初始極化電流，內(nèi)層采用常規(guī)鋁陽極或鋅陽極，保證其較高的電流效率。

    外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由電源設(shè)備、輔助陽極和參比電極構(gòu)成。對于外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，海洋工程通常采用具有自動控制功能的恒電位儀作為電源設(shè)備。

    盡管陰極保護(hù)技術(shù)已經(jīng)積累了豐富的實際經(jīng)驗，但隨著海洋工程向著更深更遠(yuǎn)的方向發(fā)展，面對新的形式新的要求，陰極保護(hù)技術(shù)必須不斷發(fā)展和完善，才能滿足海洋工程的需要。總體上陰極保護(hù)向著長壽命、高性能和高可靠性方向發(fā)展，滿足新工況的新型犧牲陽極及其輔助陽極的開發(fā)、高功率智能化的電源研制、基于數(shù)值模擬的仿真設(shè)計、多參數(shù)在線監(jiān)測技術(shù)等都將是一段時期以來的發(fā)展態(tài)勢。

     記者：近年來光致陰極保護(hù)技術(shù)成為金屬腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點，您如何看？

    杜教授：光致陰極保護(hù)是一種新型的陰極保護(hù)技術(shù)，將光電功能涂層涂覆于金屬表面時，當(dāng)其受到光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子若能轉(zhuǎn)移到偶聯(lián)的金屬基底上為之提供光生電子，使該金屬處于富電子狀態(tài)而被保護(hù)起來的效應(yīng)即為光電化學(xué)陰極保護(hù)。20 世紀(jì) 90 年代由日本Tsujikawa 研究小組首次提出，隨后，日本學(xué)者 Fujishima 等人對光致陰極保護(hù)作用機(jī)制進(jìn)行了研究，光致陰極保護(hù)技術(shù)成為金屬腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的研究熱點。

    我國中國科學(xué)院海洋研究所“百人計劃”陳卓元研究員團(tuán)隊近年來針對C 3 N 4 、異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體復(fù)合材料、及量子點敏化的有序結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體復(fù)合材料，研究了微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化構(gòu)建對光電化學(xué)陰極保護(hù)效能的優(yōu)化機(jī)制。研究結(jié)果可為海洋金屬的腐蝕防護(hù)提供新思路，為光電功能涂層在海洋環(huán)境金屬防護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。光致陰極保護(hù)技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，目前各個國家的學(xué)者主要集中在材料的制備、機(jī)理的研究，要想實用化，還有很長的路要走。

    記者：隨著海洋開發(fā)逐步走向深海，材料防腐方面將會面臨哪些挑戰(zhàn)？深海工程裝備的陰極保護(hù)技術(shù)未來發(fā)展及展望？

    杜教授：隨著國家海洋戰(zhàn)略的逐步落實，未來海洋開發(fā)走向深海，在材料腐蝕方面提出新的挑戰(zhàn)。深海和淺海的主要區(qū)別是環(huán)境因素的差別，比如壓力大、低溫、低氧等特點，這些環(huán)境因素的差別造成了材料在深海中的腐蝕行為不同。例如在淺海中常用的犧牲陽極到深海中會產(chǎn)生放電效率低的問題。除此之外，深海的施工也會比淺海更加困難，因此對于深海工程裝備的陰極保護(hù)技術(shù)除了要開發(fā)適合深海用的犧牲陽極，探索外加電流技術(shù)適用性，相關(guān)配套設(shè)施及監(jiān)檢測技術(shù)等還有很多工作要做。

    后記：

    回顧陰極保護(hù)近兩百年發(fā)展歷程，每一次技術(shù)突破都見證著人類應(yīng)對腐蝕難題而做出的努力。隨著我國海洋開發(fā)逐步走向深海，陰極保護(hù)技術(shù)會不斷迎接挑戰(zhàn)，發(fā)揮越來越重要的效用。

    人物簡介

    杜翠薇，女，北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院教授，博士生導(dǎo)師，國家材料環(huán)境腐蝕平臺副主任，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會常務(wù)副秘書長，常務(wù)理事，承壓設(shè)備專業(yè)委員會副主任委員。長期從事材料腐蝕與防護(hù)研究工作，在 Nature、Corrosion Science、Electrochimica Acta、Corrosion、金屬學(xué)報、中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報等國內(nèi)外腐蝕及材料相關(guān)的知名期刊及會議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文 150 余篇，其中 SCI/EI 論文近 100 篇，合作編寫專著7 部，教材 1 部，獲得國家專利 12 項，省部級獎勵多項。