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1陰極保護防止腐蝕

陰極保護可以通過兩種方式防止腐蝕。一種是強制電流，即從備用源向金屬表面上的所有陽極（活化）位置提供電流（或自由電子），連接一塊導流電極（石墨、鉑或鍍釕、鈦、高硅鐵、廢鋼等）作為陽極，從而將其轉換為陰極（鈍化）位置。另一種是連接一塊電位較低的金屬，這是以比鋼更為活潑的犧牲陽極的形式出現，例如鋼鐵設備連接一塊鋅、鎂、或鋁合金。由于后者電位比鐵低，在電解液內構成的原電池中成為陽極，陽極會逐漸腐蝕，陽極需定時更換。因為犧牲自身陽極以保護鋼結構免遭腐蝕，這種做法也稱為犧牲系統。在犧牲陽極系統中，陽極釋放的電流遵守歐姆定律。由于初始時陽極和陰極之間的電勢差高，初始電流會比較高，但電勢差隨著電流流向陰極而下降，電流則因陰極的極化而逐漸下降。回路電阻包括水通路和金屬通路（包括回路中的所有電纜）。這里最主要的是陽極和海水之間產生的阻抗。在絕大多數應用中，與水的電阻相比，金屬電阻很小以至于可以忽略（對于滑道或兩端受保護的長管道而言并非如此）。在一般情況下，細長陽極的阻抗比粗短陽極更小，這種電極將釋放更多的電流，但耐久性較差。因此，陰極保護設計者必須確定陽極尺寸，使其具有合適的形狀和表面積，以釋放足夠的電流來保護結構，并且重量要足以保證其在預期壽命內始終釋放出電流。一般經驗法則是，陽極的長度決定了陽極能夠產生多少電流，因而決定了能夠保護多大面積的鋼；橫截面（重量）決定陽極能夠使這一保護水平維持多久。圖1為船舶中常使用的鋅塊作為陽極犧牲安裝的范例，通常使用這種防腐的船舶會在鋅塊消耗掉的周期內進塢更新鋅塊，做特涂。更換工程量很大，施工排布過程繁瑣。

2外加電流陰極保護系統的應用

外加電流陰極保護系統（ICCP），是由外部的直流電源直接向被保護的金屬通電，使之陰極極化，達到陰極保護的目的。通常由直流電源控制箱、輔助陽極、參比電極、電纜、水密貫穿件等組成。其中，直流電源控制箱為整個保護系統提供穩定的直流電源；輔助陽極是外加電流陰極保護系統的重要組成部分，保護電流經由輔助陽極流向被保護的船體結構；參比電極用來測量陰極保護效果并為自動控制提供信號。輔助陽極的安裝位置是以船體保護電位均勻分布為原則布置的；參比電極提供的電信號代表著船體最低的保護電位值，因此其安裝位置直接關系到船體外殼的保護效果。艏部和艉部各裝一套ICCP，陽極和參比電極分別安裝于左右舷輕載水線0.5米以下，左右對稱。外加電流裝置的安裝布置如圖2所示，外加電流裝置覆蓋的船體保護范圍如圖3所示。在選用輔助陽極時，通常要求電極導電性好、耐腐蝕、壽命長、便于安裝，同時價格便宜。綜上所述，鋁成為最為經常使用的陽極。對于鋁陽極而言，在鋁表面發生的反應生成4個鋁離子和12個自由電子，如式（5）所示。而在船體表面，氧氣轉化為氧離子，進而與水結合形成氫氧根離子，只要電流（自由電子）比氧氣更快的到達陰極（鐵），就不會發生腐蝕，如式（6）所示。目前選用比較多的是高純度、高穩定性的鋅作為閉合環路中的參比電極。由于系統用的是直流供電，這就要求供電單元與陽極端要盡可能的近，減少電纜過長帶來的電壓降問題，通常這段電纜用截面積適中的單芯電纜。表1為24V直流供電系統中電纜的選型，確保在每條電纜的最大電壓降平穩，同時不超過2V電壓變化量。

3陰極保護裝置在海洋工程中的應用

在現代海洋工程中，FPSO(浮式生產儲油船)、石油鉆井平臺（如中遠的SEVAN650）都是集油氣生產、儲存及外輸功能于一體，通常長時間停靠在油田、遠離海岸的深海或淺海海域10年、20年甚至更久。在設計使用壽命內，平臺無法定期進干塢維修，因此這類特種工作平臺對防腐蝕的要求通常比較苛刻，在設計時需要考慮長期保護策略。由于鋼質船體中會含有各種化學活性低于鐵的金屬如銅，在海水影響下金屬產生電化學腐蝕，久而久之使船體銹蝕，直接影響到船舶、平臺的使用安全，降低進塢維修年限，造成極大的經濟損失。通常船舶及平臺的防腐蝕措施主要有4種：第一，使用防腐材料，防止船體的腐蝕，如不銹鋼，鋁合金等，但是這些多用于小型船舶，這里不多加贅述。第二，油漆特涂，使船體金屬表面與海水介質隔絕，有效的緩解銹蝕，這是目前各種船舶中普遍使用的機械涂層防護措施。第三，安裝比船體電位低的金屬，即犧牲陽極。通常船舶水線以下外殼、水艙、壓載艙、雙層底、艏尖艙、舵等重要部位都會焊接大量鋅塊，以緩解銹蝕。犧牲陽極的保護方式，并不適合長期不進干塢維修的海洋平臺，且投資高，安裝布置工程量龐大。第四，主動防御，安裝外加電流陰極保護系統（ICCP）。采用外加電流陰極保護系統，設備安裝相對簡單，不影響航速。在船舶、海洋平臺使用期間幾乎免維護，并且無污染產生，使用壽命可以達到15年以上，而且根據實際需要可以設計更長的使用時間。外加電流陰極保護系統將電流外加于船體，可使電流均勻擴散分布，系統通過參比電極測量的數據自適應調整船體電位。

這里通過一實例比較來說明外加電流陰極保護系統（ICCP）的優勢。在一個浸水面積約7600㎡的船體，選用鋅合金平板狀陽極ZAC-C5作為犧牲陽極，犧牲陽極的電流計算為：發生電流量If=（△E/R）×1000=400mA。式中：犧牲陽極的驅動電位△E=0.20V，犧牲陽極的接水電阻R=ρ/2S=0.5Ω，海水電阻率ρ=25Ωcm，犧牲陽極的當量長度S=0.5（L+B）=25cm，犧牲陽極的長度L=40cm，犧牲陽極的寬度B=10cm。犧牲陽極的用量計算：Ni=（Ii×S）/If=665塊，其中Ii為船外殼保護電流密度35mA/㎡，S=7600㎡，If=400mA，如果一塊鋅塊質量為9kg，按平均價格約20元/Kg計算，總重量為5985kg的鋅塊材料費約為12萬元，同時這對船體自重，裝載量，航速，耗費燃油等有直接影響，所以通常只在內部艙室，如壓載艙，尾艙，舵，螺旋槳區域安裝鋅塊。相同浸水面積的船體（約7600㎡）換成ICCP保護就簡單多了，按照計算總電流為266A，用一個直流24v，300A輸出的控制單元，2個150A的陽極單元，2個鋅參比電極，若干水密穿艙件和合適的電纜就可以達成要求，一套系統不算電纜和人工費用為12000美元（市值約7.4萬元）左右。理論和實踐證明這是目前船體防銹蝕，特別是針對長期不進干塢維修的海洋工程船最有經濟效益優勢的方法。

4結束語

從理論及實際使用情況可以看出，在海洋工程平臺中，對比犧牲陽極的防蝕措施，外加電流陰極保護系統有明顯的優勢。具有環保、安裝便捷、功能穩定、安全長效、性價比高等諸多優點。外加電流陰極保護系統在當今船舶及海洋工程中的防蝕領域中占據了重要的地位。

作者：朱江單位：南通中遠船務工程有限公司海工研發中心