阴极保护在海洋工程中的应用范文

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1阴极保护防止腐蚀

阴极保护可以通过两种方式防止腐蚀。一种是强制电流，即从备用源向金属表面上的所有阳极（活化）位置提供电流（或自由电子），连接一块导流电极（石墨、铂或镀钌、钛、高硅铁、废钢等）作为阳极，从而将其转换为阴极（钝化）位置。另一种是连接一块电位较低的金属，这是以比钢更为活泼的牺牲阳极的形式出现，例如钢铁设备连接一块锌、镁、或铝合金。由于后者电位比铁低，在电解液内构成的原电池中成为阳极，阳极会逐渐腐蚀，阳极需定时更换。因为牺牲自身阳极以保护钢结构免遭腐蚀，这种做法也称为牺牲系统。在牺牲阳极系统中，阳极释放的电流遵守欧姆定律。由于初始时阳极和阴极之间的电势差高，初始电流会比较高，但电势差随着电流流向阴极而下降，电流则因阴极的极化而逐渐下降。回路电阻包括水通路和金属通路（包括回路中的所有电缆）。这里最主要的是阳极和海水之间产生的阻抗。在绝大多数应用中，与水的电阻相比，金属电阻很小以至于可以忽略（对于滑道或两端受保护的长管道而言并非如此）。在一般情况下，细长阳极的阻抗比粗短阳极更小，这种电极将释放更多的电流，但耐久性较差。因此，阴极保护设计者必须确定阳极尺寸，使其具有合适的形状和表面积，以释放足够的电流来保护结构，并且重量要足以保证其在预期寿命内始终释放出电流。一般经验法则是，阳极的长度决定了阳极能够产生多少电流，因而决定了能够保护多大面积的钢；横截面（重量）决定阳极能够使这一保护水平维持多久。图1为船舶中常使用的锌块作为阳极牺牲安装的范例，通常使用这种防腐的船舶会在锌块消耗掉的周期内进坞更新锌块，做特涂。更换工程量很大，施工排布过程繁琐。

2外加电流阴极保护系统的应用

外加电流阴极保护系统（ICCP），是由外部的直流电源直接向被保护的金属通电，使之阴极极化，达到阴极保护的目的。通常由直流电源控制箱、辅助阳极、参比电极、电缆、水密贯穿件等组成。其中，直流电源控制箱为整个保护系统提供稳定的直流电源；辅助阳极是外加电流阴极保护系统的重要组成部分，保护电流经由辅助阳极流向被保护的船体结构；参比电极用来测量阴极保护效果并为自动控制提供信号。辅助阳极的安装位置是以船体保护电位均匀分布为原则布置的；参比电极提供的电信号代表着船体最低的保护电位值，因此其安装位置直接关系到船体外壳的保护效果。艏部和艉部各装一套ICCP，阳极和参比电极分别安装于左右舷轻载水线0.5米以下，左右对称。外加电流装置的安装布置如图2所示，外加电流装置覆盖的船体保护范围如图3所示。在选用辅助阳极时，通常要求电极导电性好、耐腐蚀、寿命长、便于安装，同时价格便宜。综上所述，铝成为最为经常使用的阳极。对于铝阳极而言，在铝表面发生的反应生成4个铝离子和12个自由电子，如式（5）所示。而在船体表面，氧气转化为氧离子，进而与水结合形成氢氧根离子，只要电流（自由电子）比氧气更快的到达阴极（铁），就不会发生腐蚀，如式（6）所示。目前选用比较多的是高纯度、高稳定性的锌作为闭合环路中的参比电极。由于系统用的是直流供电，这就要求供电单元与阳极端要尽可能的近，减少电缆过长带来的电压降问题，通常这段电缆用截面积适中的单芯电缆。表1为24V直流供电系统中电缆的选型，确保在每条电缆的最大电压降平稳，同时不超过2V电压变化量。

3阴极保护装置在海洋工程中的应用

在现代海洋工程中，FPSO(浮式生产储油船)、石油钻井平台（如中远的SEVAN650）都是集油气生产、储存及外输功能于一体，通常长时间停靠在油田、远离海岸的深海或浅海海域10年、20年甚至更久。在设计使用寿命内，平台无法定期进干坞维修，因此这类特种工作平台对防腐蚀的要求通常比较苛刻，在设计时需要考虑长期保护策略。由于钢质船体中会含有各种化学活性低于铁的金属如铜，在海水影响下金属产生电化学腐蚀，久而久之使船体锈蚀，直接影响到船舶、平台的使用安全，降低进坞维修年限，造成极大的经济损失。通常船舶及平台的防腐蚀措施主要有4种：第一，使用防腐材料，防止船体的腐蚀，如不锈钢，铝合金等，但是这些多用于小型船舶，这里不多加赘述。第二，油漆特涂，使船体金属表面与海水介质隔绝，有效的缓解锈蚀，这是目前各种船舶中普遍使用的机械涂层防护措施。第三，安装比船体电位低的金属，即牺牲阳极。通常船舶水线以下外壳、水舱、压载舱、双层底、艏尖舱、舵等重要部位都会焊接大量锌块，以缓解锈蚀。牺牲阳极的保护方式，并不适合长期不进干坞维修的海洋平台，且投资高，安装布置工程量庞大。第四，主动防御，安装外加电流阴极保护系统（ICCP）。采用外加电流阴极保护系统，设备安装相对简单，不影响航速。在船舶、海洋平台使用期间几乎免维护，并且无污染产生，使用寿命可以达到15年以上，而且根据实际需要可以设计更长的使用时间。外加电流阴极保护系统将电流外加于船体，可使电流均匀扩散分布，系统通过参比电极测量的数据自适应调整船体电位。

这里通过一实例比较来说明外加电流阴极保护系统（ICCP）的优势。在一个浸水面积约7600㎡的船体，选用锌合金平板状阳极ZAC-C5作为牺牲阳极，牺牲阳极的电流计算为：发生电流量If=（△E/R）×1000=400mA。式中：牺牲阳极的驱动电位△E=0.20V，牺牲阳极的接水电阻R=ρ/2S=0.5Ω，海水电阻率ρ=25Ωcm，牺牲阳极的当量长度S=0.5（L+B）=25cm，牺牲阳极的长度L=40cm，牺牲阳极的宽度B=10cm。牺牲阳极的用量计算：Ni=（Ii×S）/If=665块，其中Ii为船外壳保护电流密度35mA/㎡，S=7600㎡，If=400mA，如果一块锌块质量为9kg，按平均价格约20元/Kg计算，总重量为5985kg的锌块材料费约为12万元，同时这对船体自重，装载量，航速，耗费燃油等有直接影响，所以通常只在内部舱室，如压载舱，尾舱，舵，螺旋桨区域安装锌块。相同浸水面积的船体（约7600㎡）换成ICCP保护就简单多了，按照计算总电流为266A，用一个直流24v，300A输出的控制单元，2个150A的阳极单元，2个锌参比电极，若干水密穿舱件和合适的电缆就可以达成要求，一套系统不算电缆和人工费用为12000美元（市值约7.4万元）左右。理论和实践证明这是目前船体防锈蚀，特别是针对长期不进干坞维修的海洋工程船最有经济效益优势的方法。

4结束语

从理论及实际使用情况可以看出，在海洋工程平台中，对比牺牲阳极的防蚀措施，外加电流阴极保护系统有明显的优势。具有环保、安装便捷、功能稳定、安全长效、性价比高等诸多优点。外加电流阴极保护系统在当今船舶及海洋工程中的防蚀领域中占据了重要的地位。

作者：朱江单位：南通中远船务工程有限公司海工研发中心