閆永貴 中國船舶重工集團公司第七二五研究所研究員

    我國在海洋油氣田開發、港口建設、跨海大橋、海底管線、船舶工程和深海勘探等領域已建和在建大量的各種海洋鋼結構及鋼筋混凝土結構設施。這些海上設施廣泛分布在我國沿海一線和南海、東海等重點海域，貫穿海洋大氣區、浪花飛濺區、海洋潮差區、海水全浸區和海底泥土區等不同的海洋腐蝕環境，遭受十分嚴重的腐蝕破壞。海洋腐蝕及生物污損嚴重威脅著這些重大工程設施安全運行。多數海洋工程結構處于裸露或欠保護狀態，海洋工程結構安全堪憂，腐蝕損失巨大。如何保證各種海洋工程設施的耐久性和安全性，降低重大災害性事故發生，延長這些重大工程設施使用壽命？本刊記者邀請中國船舶重工集團公司第七二五研究所閆永貴研究員做相關方面的精彩解讀。

    閆永貴，中國船舶重工集團公司第七二五研究所研究員，主要從事電化學技術保護及應用、水下電磁場控制與檢測、深海腐蝕與防護評價技術及腐蝕檢測技術與評價方法、電化學防污技術等方面的研究與應用，并取得過豐碩的科研成果。下面請隨記者進入精彩訪談。

    記者：隨著深海開發的進行，海洋腐蝕環境更加嚴酷，請您談一下在深海環境下，陰極保護技術對深海裝備的重要意義是什么？請介紹一下，目前我國深海裝備陰極保護技術的發展情況。

    閆研究員：隨著深海資源的開發，對于深海裝置的服役壽命來講，陰極保護技術的作用也越來越重要，其具有材料和涂層防護技術無法替代的作用。

    深海環境一般指海水深度大于 200m的環境，與一般常見的水環境、土壤環境相比，深海服役環境具有獨特的特點：

    維修保養要求高。按照相關的標準規范進行裝置的維護非常困難，即便有可能，其維修保養的代價也是非常巨大的，即便可行其操作也極其復雜，要求也非常高，費用也非常巨大，如需要配套的船只、水下機器人等，每天的費用都是很驚人的；更換代價巨大。在這樣的環境下，深海裝置的更換代價巨大，甚至是不可能的，為此深海裝置的要求非常高，在設計壽命周期內最理想的狀態是一次性的，或者說是永久性的。

    深海環境腐蝕因素具有不確定性。在深海環境中，除了一般說的腐蝕因子外，如溫度、壓力、溶解氧、鹽度等，深海環境也可能由于季節的變化、洋流的變化、地殼的變化等而發生巨大變化，導致局部的腐蝕環境也可能發生變化，對材料的損傷也可能是事先沒有考慮到的。陰極保護技術是通過向被保護結構物提供外加的直流電流來避免周圍電解質環境對材料的侵蝕作用。這項技術的特性決定了其在深海裝備中腐蝕防護中具有積極的重要的作用，是強制性的必須采取的腐蝕控制措施。其作用主要有：1）一是抑制材料的腐蝕，通過施加電流使被保護結構的電位負移，從而抑制腐蝕的發生；2）與涂層保護相互補充，避免涂層針孔下的腐蝕；3）可以有效的控制意外情況的腐蝕，如施工過程中涂層的損傷、服役過程中外力的損傷等。

    深海陰極保護技術的發展是隨著海洋資源的開發而發展的，主要是因為腐蝕環境的變化具有其獨特性，從而衍生出深海陰極保護技術這種說法。其實從陰極保護原理和方法來看沒有什么劃時代的發展，但是根據深海環境的腐蝕特性的變化、使用材料的變化、深海環境的變化，深海陰極保護應用技術有了其獨特的發展。國際上深海資源的開發早于我國，因此深海陰極保護技術的發展也就比我們國家早，國外是上個世紀 80 年代左右開始用于深海裝置，當時我們國內尚未開展相關的研究。我們國家這方面的研究是從本世紀初隨著我國深海的開發才開始，早期的深海陰極保護技術都是采用國外的，從經濟上看付出了高額的費用。通過近 20 年的發展我國該領域也取得了長足的進步，從陰極保護設計、材料、施工和維護以及基礎研究等方面都取得可喜的成績。主要體現在以下幾個方面：

    1） 陰極保護材料方面，鋁合金犧牲陽極發展了冷水鋁合金犧牲陽極、低電位鋁合金犧牲陽極、鋁鎂復合犧牲陽極；從結構形式來看發展了鐲式鋁合金犧牲陽極、免焊接的可更換的鋁合金犧牲陽極組、張力式外加電流用輔助陽極組、沉底式輔助陽極床、浮動式輔助陽極組等；

    2） 設計方法方面，由以前的半經驗半計算的設計方法發展為基于邊界元的精確設計方法，目前逐漸被大家所認可，在相關的工程中也逐漸得到應用；

    3）設計準則上，根據使用的高強鋼、不銹鋼等制定陰極保護的準則；

    4）評價技術上，開展了實驗室模擬技術和實海評價技術。實驗室模擬技術最高可以模擬 7000m 的深海，評價了犧牲陽極陽極的電化學性能，溶解形貌等，評價了相關材料的腐蝕行為，評價關鍵結構的局部腐蝕和保護效果。在實海評價技術方面，實現最深達到 3000m的實海評價。

    記者：您模擬過深海環境下高強度船體鋼的陰極保護準則的研究，請您分享一下標準的制定對深海裝備陰極保護技術的應用有什么樣的意義？

    閆研究員：陰極保護對金屬材料在腐蝕介質中腐蝕的抑制作用，目前已經得到各行各業的認可，從標準上也實現了強制的執行。但是隨著深海資源的開發，材料的應用也呈現了新的特點，高強鋼、鈦合金、高強不銹鋼、不銹鋼 /低合金鋼復合結構材料等的應用越來越多，這就提出一個新的問題，常規的陰極保護設計準則是否合適的問題 , 因為陰極保護有三種狀態，一是常規可以有效控制的陰極保護狀態，二是腐蝕速率高于許可值的欠保護狀態，三是導致氫析出的過保護狀態。在過保護狀態下是非常危險的，尤其是高強鋼，氫析出導致氫致開裂的危險性大大增加，一旦發生那將是災難性的，是絕對不允許發生的。早期陰極保護的設計準則是通常保護電位是負于 850mV，但最負不能超過1200mV，對于含有硫酸鹽還原菌（SRB）的環境保護電位負于 -950mV，在干燥的土壤環境中采用極化 100mV 的判據。在 2008 年修訂國標的時候考慮了屈服強度大于 550MPa 的高強度鋼以及不銹鋼等材料。其實陰極保護準則是比較復雜的事情，現有的規范和標準只是給了一個通用的準則，實際應用過程中往往需要特殊考慮，需要準確的確定。在深海環境下，其使用材料的特殊性、服役環境的特殊性、對設備要求的特殊性，陰極保護準則的準確性顯得尤為重要。陰極保護準則是陰極保護設計的基礎，準則不準確，會導致陰極保護設計的有效性降低；準則不準確，可能導致災難性事故的發生；準則不準確可能導致整個系統的實效。因此，針對深海裝置和深海環境，深海陰極保護技術的發展，陰極保護準則的研究確定要先行，這是深海陰極保護技術發展的重要基礎之一。只有制定有效的陰極保護準則，才能保證陰極保護的有效性、可靠性，安全性。

    記者：目前深海裝備陰極保護技術有哪些關鍵的技術，呈現出哪些發展趨勢？

    閆研究員：根據深海環境的特點和深海裝置的需求特點，深海裝備的陰極保護技術主要有以下幾個關鍵技術：

    1）深海環境陰極保護有效性的評價技術。深海環境陰極保護有效性的評價技術分為兩類，一是實驗室內模擬評價技術；二是現場陰極保護有效性的評價技術。陰極保護實驗室模擬評價應該把握兩個方面，一是環境因素，一是材料因素。在材料確定的情況下，環境因素是主因，實驗室內如何有效模擬實海的環境腐蝕因子是關鍵，同時也要建立有效的實驗室結果和實海試驗結果的相關性。這決定了陰極保護設計輸入的正確性。隨著溶解氧、溫度、壓力、鹽度等單一和多因素連續控制技術的發展，研究人員對結構材料腐蝕行為和陰極保護材料特性的規律把握的深入，實驗室評價結果與實海測試結果相關性會越來越好。深海裝置施加陰極保護后，保護效果如何是業主非常關心的。通常做法是將參比電極置于被保護結構物的表面附件測量保護電位，保護電位在消除 IR 降后的值在保護準則內，認為陰極保護就是有效的。但是對于深海裝置，現場陰極保護效果有效性的評價非常困難，受多方面因素的制約。對于深海裝置陰極保護效果的評價，一直是業界努力的工作方向。根據這種情況，近幾年國家重大項目、相關行業給予了大力支持，發展了深海裝置陰極保護效果的現場評價的技術，這些技術的應用效果還需要有待進一步驗證。國內多家單位都在努力，隨著電子技術的發展、機器人技術的發展以及水下通訊技術的發展，深海裝置的陰極保護有效性的實海評價技術會越來越完美。

    2）深海環境陰極保護精確設計技術。根據深海裝備的發展需求，常規的陰極保護設計肯定是不能滿足要求，我國海洋裝備中的一些案例也證明了這一點，有些裝備的陰極保護設計壽命遠遠達不到設計壽命。深海環境陰極保護精確設計技術包括兩個方面，一是保證不同陰極保護階段的深海裝置處于最佳保護狀態；另一方面又可預估陰極保護的有效期，保證設計壽命大于裝置的實際使用壽命。陰極保護精確設計技術的關鍵有兩個方面，一是邊界條件的有效性，二是結構設計和分格的準確性，其中邊界條件的準確輸入取決于實驗室模擬評價的有效性。在這方面需要專業人員進行深入準確度研究，目前人們認為買個軟件就可以設計，這是大錯特錯的。

    3）深海陰極保護安裝技術。對于深海陰極保護系統的安裝，初期安裝隨著裝備的建設相對比較容易實現，這里主要指陰極保護裝置的再次安裝，也就是陰極保護系統的更換。從目前深海裝置的發展歷程來看，深海裝置存在兩種情況需要更換犧牲陽極，一是延期服役，二是初期陰極保護系統失效。陰極保護系統的二次安裝技術是目前的關鍵技術，因為陰極保護系統的安裝受多方面的限制和制約。陰極保護系統與被保護結構的電連接的長期有效性、犧牲陽極能夠持續發出保護電流、輔助陽極能夠穩定發出電流等關鍵環節需要保證。國內早期是引進國外的安裝技術，目前國內也發展了相關的安裝技術，但是這些技術的有效性需要進一步的驗證。

    記者：您多年從事陰極保護的科研工作，請您介紹一下對您印象深刻的科研經歷和典型案例，并發表一下您的感受。

    閆研究員：自1998年博士畢業以后，我一直從事陰極保護技術研究及應用的相關工作，已有近 20 個年頭了，涉及的領域包括陰極保護的原理、陰極保護材料的開發、陰極保護設計技術的發展、陰極保護技術的推廣應用，承擔了國家級、省部級、實驗室基金等項目有 20多項，實際推廣的項目也很多。在從事陰極保護科研和應用的過程中，有幾件事情非常值得懷念，想起來都是滿滿的記憶，這些美好的記憶也成為我一生從事科研的溫暖。我承擔第一個國家級項目是 2001 年參與了國家十五科技攻關項目“城市燃氣管道安全保障關鍵技術研究”，負責了埋地燃氣管道外覆蓋層評價方法研究和陰極保護有效性評價方法的專題。當時我剛剛進入該領域，承擔這樣的項目還有些小小的激動，重擔在身后需要學習的方面就很多。如何順利完成課題是擺在面前的困難，博士研究期間研究方法不適用于解決工程實際問題，查查文獻不能解決問題，而且當時國內城市燃氣管網的發生剛剛開始，事故不斷發生，陰極保護尚在推廣階段，希望借此解決問題，可以借鑒的經驗很少。為此我自己制定了一個走訪國內中型和大型的城市 20 個計劃，列出一個名單，提前做了一個詳細的調研計劃，認真請教老師傅弄清需要那些問題需要了解。帶著這些問題就上路了，當時多數城市沒人介紹，直接悶著頭去找，懷著一顆坦誠的心和想解決問題的想法跟人去交流，出人意料，結果非常理想，受到了每家燃氣公司的熱情招待。你能想象，一個剛剛出道的學生到知名的公司去，公司高層親自接待，組織人員跟你對接，認真交流嗎？通過調研掌握了第一手的工程實際面臨的問題和迫切的需求，也通過該項目的研究使我對陰極保護這個領域有了全面的認識，掌握了目前的發展動態，對我以后陰極保護的研究提供了可靠的支撐，開闊了我的視野，后來延伸出我在國內比較早的開展相關研究，如基于 GPRS 信息技術的陰極保護檢測技術，基于 GIS 陰極保護檢測管理平臺、分布式陰極保護技術，同時也調整自己科研的思維，在后來的研究中能夠有的放矢地開展研究，提出的項目命中率會很高，在以后研究的職業生涯中，提出的問題幾乎百分百會得到支持，如后來的深海陰極保護技術、低電位犧牲陽極、深海犧牲陽極、交替環境評價技術、深海模擬評價技術等。這段經歷使我獲得了從事工程科研的方法和思路，我想這是進軍一個新領域應該具備的素質，這個經歷對剛剛畢業的學生來講可能有點借鑒作用。根據這次經歷，我也養成一個真心對待向我提問的每一個人，不管他是誰。第二個經歷是低電位犧牲陽極的開發，開展該研究之前也是查閱了相關的資料，活化機理也基本了解清楚，國外的研究也基本掌握了，初期信心滿滿的，但是開始第一輪實驗后卻事與愿違，設想與結果相去甚遠。在停止還是繼續的選擇中，我選擇了繼續探討。通過仔細分析后，調整實驗設計的方法，初戰告捷，最后一路追擊，取得圓滿結果。在該領域獲得了自主知識產權和全國腐蝕大會優秀論文，在工程實際中得到推廣應用。通過該項研究，我悟出了一個心法，方法論非常重要，不管你做什么。

    記者：您多年從事陰極保護技術研究，您認為陰極保護技術的發展還需要做哪些方面的努力？請您談一下對年輕人的期望。

    閆研究員：至今陰極保護的發展和應用已經有幾百年了，能夠用電化學進行準確量化和解釋的歷史也有 100 多年了，從事該領域的應用和研究的人員也越來越多，甚至快成為柜臺產品了，有人甚至感嘆陰極保護的研究基本窮途末路了，我不這么認為。深海環境的開發和新材料的應用為陰極保護的研究和應用帶來了新的春天。深海裝備為陰極保護技術的發展提出了新的要求，主要體現在以下幾個方面：

    1）陰極保護設計的精確性。目前陰極保護的精確設計已經從經驗到量化，從有限元發展到邊界元了，方法是越來成熟了，但是初始條件的有效性研究才剛剛開始。邊界條件的準確性關系精確設計的有效性，因此對于精確設計需要從不同材料不同結構模型的建立、邊界條件的影響規律、全壽期的模擬驗證等方面開展深入的演研究。對于邊界條件，除了深海環境特點需要考慮外，裝置中各種材料同時并存也要高度重視，有常規的材料，也有高強度材料，也有正電位材料，如何統籌兼顧的實現整個裝置的陰極保護完整性，需要進一步開展深入的研究。

    2）環境因素的作用機制需要考慮。對于深海環境，尤其我國南海的環境，可燃冰、石油天然氣等資源比較豐富，可能導致深海的局部環境的腐蝕性也有其獨特性，目前出現的早期陰極保護失效的現象發生需要引起重視。因此不同的環境因子的監測，環境對材料的腐蝕行為的影響、環境對犧牲陽極性能的影響等都需要開展深入的研究。

    3）陰極保護負效果因子的積累。目前國內已經發生過幾起材料氫致開裂的失效現象，對于不同的陰極保護狀態，不同的材料體系，不同的結構形式，需要深入的研究陰極保護過程中氫的行為，尤其是長期的累積效應和對材料性能的影響行為，同時也需要發展相關的檢測評估技術。

    4）陰極保護準則的深化研究。陰極保護準則即決定于材料本身，也受環境影響，材料目前相對了解的多一些，對于深海環境，目前除了常規的腐蝕因子外，對于實際深海環境腐蝕因子的了解不是很多，尤其是海泥與海水界面及兩側的環境了解更少，其對材料的行為研究也就更少了，目前急需開展這方面的研究。

    后記：

    深海環境的開發和新材料的應用為陰極保護的研究和應用帶來了新的春天，隨著深海資源的開發和利用，相信陰極保護領域將會更廣闊的前景，進入該領域的年輕人在陰極保護基礎理論和應用方面會取得更好更大的成績！

    人物簡介

    閆永貴，中國船舶重工集團公司第七二五研究所，博士，研究員，碩士生導師，主要從事電化學技術保護及應用、水下電磁場控制與檢測、深海腐蝕與防護評價技術及腐蝕檢測技術與評價方法、電化學防污技術等研究與應用。編寫國家標準 3 項，國軍標 2 項，發表科技論文 50 多篇，參譯著作 1 部，獲得發明專利 9 項；獲得省部級獎勵多項，其中國防科工局科技進步二等獎 1 項，獲中國腐蝕學會科技進步一等獎 1 項，國家質量監督檢驗總局科技興檢二等獎 2 項，中國船舶重工集團公司科技進步三等獎 2 項。