海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展評(píng)述

許立坤，馬 力，邢少華，程文華

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101)

1 前 言

本文所述海洋工程系指海洋工程裝備以及海洋工程設(shè)施，包括海上平臺(tái)、海底管線、水下油氣生產(chǎn)設(shè)施、浮式石油生產(chǎn)與儲(chǔ)卸系統(tǒng)(FPSO)、跨海大橋、海港碼頭、海洋能源開發(fā)裝置等等。隨著海洋經(jīng)濟(jì)和海洋資源開發(fā)的快速發(fā)展，大量的海洋工程裝備和設(shè)施正在不斷建造和投入使用。由于海洋環(huán)境具有極強(qiáng)的腐蝕性，所以腐蝕是海洋工程必須面對(duì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。腐蝕不僅增大維護(hù)維修費(fèi)用，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且直接影響海洋工程的服役安全和使用壽命，甚至?xí)l(fā)安全事故，導(dǎo)致環(huán)境和生態(tài)災(zāi)難[1]。

陰極保護(hù)是防止海水、海泥以及混凝土中金屬腐蝕的有效手段[2]。在大多數(shù)情況下，陰極保護(hù)是和有機(jī)涂層聯(lián)合采用的，可以獲得協(xié)同效果。陰極保護(hù)可以有效抑制涂層缺陷處金屬的腐蝕，而絕緣性能良好的有機(jī)涂層可以有效減小陰極保護(hù)所需的電流密度，增大保護(hù)范圍，并使保護(hù)電位分布更為均勻。

根據(jù)提供保護(hù)電流方式的不同，陰極保護(hù)分為犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)兩種方法。犧牲陽(yáng)極方法簡(jiǎn)單可靠、不需日常維護(hù)，但需要在海洋工程結(jié)構(gòu)物上安裝足量的陽(yáng)極。由于輸出電流的自我調(diào)節(jié)能力有限，因此需要較為精確的設(shè)計(jì)。外加電流陰極保護(hù)方法可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，通過自動(dòng)調(diào)整輸出電流的大小，使被保護(hù)的結(jié)構(gòu)物表面處于設(shè)定的保護(hù)電位范圍。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)通常由直流電源設(shè)備、輔助陽(yáng)極、參比電極、電纜以及接頭等所組成，系統(tǒng)的可靠性是保證外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行和海洋工程防護(hù)效果的關(guān)鍵因素。采用何種陰極保護(hù)方法取決于海洋工程的種類及其環(huán)境和工況條件。例如，固定式海上平臺(tái)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(yáng)極保護(hù)，而FPSO、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物以及處于江河入海口(淡海水交替介質(zhì))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)。對(duì)于一些已到設(shè)計(jì)壽命，但仍需要繼續(xù)延壽使用的海洋工程，或原有的陰極保護(hù)系統(tǒng)失效需要更換的在役海洋工程，采用外加電流陰極保護(hù)方法往往具有更多的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)[3-4]。

盡管陰極保護(hù)技術(shù)在工程中的應(yīng)用至今已有190余年的歷史，但隨著人類探索自然和改造自然活動(dòng)的深入和相關(guān)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，陰極保護(hù)技術(shù)也一直處于不斷發(fā)展和進(jìn)步當(dāng)中[5-6]。各種高性能的陰極保護(hù)材料與系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、先進(jìn)的監(jiān)檢測(cè)技術(shù)等不斷得到開發(fā)和應(yīng)用，以滿足實(shí)際工程的需要。

本文對(duì)海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了評(píng)述，介紹了海洋工程用犧牲陽(yáng)極材料、外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)、陰極保護(hù)設(shè)計(jì)以及陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并探討了海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2 犧牲陽(yáng)極材料

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)是通過將被保護(hù)結(jié)構(gòu)和電位較負(fù)的金屬或合金相連接，由電位較負(fù)的金屬或合金向被保護(hù)結(jié)構(gòu)提供陰極電流，從而使得電位較正的結(jié)構(gòu)物得到保護(hù)。這種電位較負(fù)的金屬或合金即為犧牲陽(yáng)極。用于海洋工程的犧牲陽(yáng)極材料主要有鋅陽(yáng)極和鋁陽(yáng)極。

2.1 鋅陽(yáng)極

鋅陽(yáng)極主要是純鋅或Zn-Al-Cd合金陽(yáng)極，鋅陽(yáng)極相對(duì)于鋼的驅(qū)動(dòng)電位較低，大約為0.2 V左右，用于全浸海水環(huán)境時(shí)電容量為780 A·h/kg左右，用于海泥環(huán)境時(shí)其電容量為580～750 A·h/kg。鋅陽(yáng)極的理論電容量較低，限制了其在海洋工程中的廣泛應(yīng)用[7]。

2.2 鋁陽(yáng)極

鋁陽(yáng)極由于比重小、電容量大等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于海洋工程的腐蝕防護(hù)。鋁合金犧牲陽(yáng)極的發(fā)展是從二元合金開始的，早在20世紀(jì)50年代研究人員就開始對(duì)Al-Zn合金的電化學(xué)性能展開了研究，為了提高陽(yáng)極性能，不斷調(diào)整合金元素的種類和含量，以獲得高性能犧牲陽(yáng)極材料[8-9]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了一系列的犧牲陽(yáng)極產(chǎn)品，可適用于不同的工況環(huán)境。根據(jù)犧牲陽(yáng)極的發(fā)展歷程，大致可分為常規(guī)鋁陽(yáng)極、高效鋁陽(yáng)極，以及近些年針對(duì)特殊環(huán)境發(fā)展起來的新型犧牲陽(yáng)極。

目前應(yīng)用于全浸海水環(huán)境的犧牲陽(yáng)極已發(fā)展的比較成熟，主要是Al-Zn-In系犧牲陽(yáng)極。包括常規(guī)鋁陽(yáng)極和高效鋁陽(yáng)極。常規(guī)鋁陽(yáng)極是指電容量≥2400 A·h/kg的陽(yáng)極材料，主要有Al-Zn-In、Al-Zn-In-Cd、Al-Zn-In-Si、Al-Zn-In-Sn、Al-Zn-In-Sn-Mg等。高效鋁合金犧牲陽(yáng)極是為提高陽(yáng)極利用效率、獲得更長(zhǎng)的使用壽命而開發(fā)出來的犧牲陽(yáng)極材料，其效率≥90%，電容量≥2600 A·h/kg ，主要有Al-Zn-In-Mg-Ti、Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn等。上述陽(yáng)極在全浸海水環(huán)境中均具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。海洋工程中應(yīng)用較多的主要有Al-Zn-In和Al-Zn-In-Mg-Ti。海底管線等設(shè)施位于海泥中，可用于海泥中的鋁陽(yáng)極有Al-Zn-In三元陽(yáng)極、Al-Zn-In-Si系陽(yáng)極等，其開路電位為-1.10 V (相對(duì)于SCE)左右，電流效率可達(dá)到85%，海底管線的陰極保護(hù)多選用Al-Zn-In-Si陽(yáng)極[10-11]。

除上述材料外，近年來，七二五研究所針對(duì)特殊環(huán)境/材料的防腐需求，發(fā)展了一系列的新型鋁合金犧牲陽(yáng)極材料，包括干濕交替環(huán)境用高活化犧牲陽(yáng)極、深海犧牲陽(yáng)極、淡海水用高負(fù)電位鋁陽(yáng)極、低電位犧牲陽(yáng)極等，使得犧牲陽(yáng)極材料體系不斷完善。高活化犧牲陽(yáng)極可用于潮汐帶海洋工程構(gòu)件的腐蝕防護(hù)[12]，該陽(yáng)極在干濕交替環(huán)境表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，工作電位負(fù)且穩(wěn)定，腐蝕產(chǎn)物易脫落；常規(guī)陽(yáng)極在深海高壓、低溫、低氧環(huán)境中電流效率降低、局部腐蝕溶解嚴(yán)重，通過調(diào)整合金元素種類和含量，發(fā)展了深海犧牲陽(yáng)極材料，該陽(yáng)極在深海環(huán)境溶解均勻，溶解產(chǎn)物易脫落，電流效率大于90%，可用于深海采油樹及管匯等構(gòu)件的腐蝕防護(hù)[13]。淡海水是電阻率較高的環(huán)境，氯離子含量低，要求陽(yáng)極活性較強(qiáng)。吳建華等人開發(fā)了高負(fù)電位鋁陽(yáng)極Al-Zn-Mn-Sn-Bi，該陽(yáng)極在淡海水環(huán)境具有較好的電化學(xué)性能，可為江河入?？诘暮Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)物提供有效保護(hù)[14]。海洋工程中部分構(gòu)件采用高強(qiáng)鋼材料，該類材料具有氫脆敏感性，常規(guī)的防護(hù)措施有可能強(qiáng)化這些敏感性導(dǎo)致材料加速失效，從而導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生。為滿足海洋工程中高強(qiáng)度構(gòu)件的防腐需求，開發(fā)了低驅(qū)動(dòng)電位鋁合金犧牲陽(yáng)極，其工作電位在-0.80～-0.85 V，可使得高強(qiáng)鋼既可得到有效保護(hù)，又不致其氫脆敏感性增加[15-17]。

另外，由于保護(hù)初期所需極化電流密度較大，從提高效率和節(jié)約資源的角度，開發(fā)了復(fù)合陽(yáng)極，即外層采用高負(fù)電位的鎂陽(yáng)極或鋁陽(yáng)極，用以提供較大的初始極化電流，內(nèi)層采用常規(guī)鋁陽(yáng)極或鋅陽(yáng)極，保證其較高的電流效率。因熔煉工藝復(fù)雜，復(fù)合陽(yáng)極在實(shí)際工程中應(yīng)用較少[18]。

3 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

與犧牲陽(yáng)極不同，外加電流陰極保護(hù)所需的電流來自于外部電源，通過將外部交流電整流為直流電，并經(jīng)由輔助陽(yáng)極向被保護(hù)的結(jié)構(gòu)物提供陰極極化電流。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由電源設(shè)備、輔助陽(yáng)極和參比電極構(gòu)成。

3.1 電源設(shè)備

整流器是最簡(jiǎn)單的陰極保護(hù)電源設(shè)備，采用手動(dòng)控制，盡管簡(jiǎn)單可靠，但不太適于工況環(huán)境變化較大的場(chǎng)合[19]。對(duì)于海洋工程來說，由于工況環(huán)境往往會(huì)隨季節(jié)發(fā)生較大變化，所以通常采用具有自動(dòng)控制功能的恒電位儀作為電源設(shè)備。

工程用恒電位儀有可控硅型、磁飽和控制型、大功率晶體管型以及開關(guān)電源型恒電位儀等分類。其中開關(guān)電源型恒電位儀由于具有重量輕、模塊化、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在陰極保護(hù)工程中得到越來越多的應(yīng)用[20]。

智能化是恒電位儀的一個(gè)重要發(fā)展方向[19]。智能化恒電位儀不僅可以自動(dòng)采集和存儲(chǔ)恒電位儀本身的工作狀況以及被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的保護(hù)電位，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每組陽(yáng)極輸出電流的精確控制，以使海洋工程結(jié)構(gòu)物表面獲得最優(yōu)的電位分布。

3.2 輔助陽(yáng)極材料

理想的輔助陽(yáng)極材料應(yīng)具有如下性能：良好導(dǎo)電性和高電化學(xué)活性；低消耗速率和長(zhǎng)壽命；有足夠強(qiáng)度，不易損壞；重量輕，易于搬運(yùn)和安裝；易加工成型，具有高性價(jià)比[21]。

可用作輔助陽(yáng)極的材料有很多，早期曾采用廢鋼鐵等消耗性陽(yáng)極，后來開始采用石墨、高硅鑄鐵、鉛銀合金等微溶性陽(yáng)極，如今則主要采用鉑復(fù)合陽(yáng)極、混合金屬氧化物陽(yáng)極等所謂不溶性陽(yáng)極材料[21]。

在海洋工程中采用的輔助陽(yáng)極主要有高硅鑄鐵、鉛銀合金、鉑復(fù)合電極以及混合金屬氧化物陽(yáng)極[22-23]。高硅鑄鐵尤其是含鉻和鉬的高硅鑄鐵在海水和海泥中具有較好的電化學(xué)性能，但該材料硬度高、脆性大，易損壞。鉛銀合金在海水中具有良好的電化學(xué)性能，表面嵌入微量的鉑可以促進(jìn)導(dǎo)電的PbO2膜的形成，減小鉛銀合金陽(yáng)極的消耗速率。但鉛銀合金比重大，不便于安裝，并且對(duì)環(huán)境有污染，目前已較少使用。鉑是一種優(yōu)異的輔助陽(yáng)極材料，但其價(jià)格高昂。為減少貴金屬的使用，出現(xiàn)了鉑復(fù)合電極材料，它是在鈦、鈮、鉭等金屬基體上被覆鉑層而構(gòu)成[24-25]。早期采用鍍鉑鈦陽(yáng)極，鉑層易脫落，壽命較短。后來出現(xiàn)了采用爆炸焊接、冶金拉拔或軋制等工藝制備的鉑復(fù)合陽(yáng)極，消除了鉑層脫落的缺陷。鉑復(fù)合陽(yáng)極在海水、淡海水等介質(zhì)中均具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，并且消耗速率小、使用壽命長(zhǎng)，但由于制備工藝較為復(fù)雜，價(jià)格較高，因此限制了其廣泛的應(yīng)用。

混合金屬氧化物陽(yáng)極是新型高性能輔助陽(yáng)極材料，它是在鈦基體上采用熱燒結(jié)方法被覆導(dǎo)電的混合金屬氧化物涂層而構(gòu)成[26-28]。該陽(yáng)極材料具有比鉑復(fù)合陽(yáng)極還優(yōu)的性能，如極低的消耗速率和長(zhǎng)壽命，優(yōu)異的電催化活性，更高的性價(jià)比。由于采用鈦為基體，所以易于加工成各種所需的形狀，并且重量輕，具有足夠的強(qiáng)度，易于安裝?；旌辖饘傺趸镪?yáng)極的另一個(gè)特點(diǎn)是具有廣譜適應(yīng)性，不僅可用于海水、淡水、海泥等介質(zhì)，而且可應(yīng)用于混凝土環(huán)境中。七二五研究所自“九五”以來就一直開展混合金屬氧化物陽(yáng)極研究，并將該材料列入了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 7388-1999)[29-32]。近年來，又發(fā)展了新一代的納米金屬氧化物陽(yáng)極材料，通過基體改性處理，使金屬氧化物陽(yáng)極耐擊穿電壓由傳統(tǒng)氧化物陽(yáng)極的10 V左右提高到40 V以上，使其可以在更高的電流密度下工作，提高了使用可靠性。

3.3 參比電極

參比電極用于測(cè)量被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的電極電位，以評(píng)判保護(hù)效果。同時(shí)，也為恒電位儀提供控制信號(hào)，以調(diào)節(jié)輸出，使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物處于要求的保護(hù)狀態(tài)。工程用參比電極應(yīng)具有足夠的電位穩(wěn)定性和測(cè)量精度，長(zhǎng)壽命，并且不易損壞[33]。

海洋工程用參比電極主要有銅/飽和硫酸銅、鋅及鋅合金以及銀/氯化銀(鹵化銀)參比電極。銅/飽和硫酸銅電極壽命較短，主要用作臨時(shí)測(cè)量的便攜式參比電極。鋅參比電極可采用高純鋅(≥99.999%)或鋅合金，其壽命較長(zhǎng)，但電位穩(wěn)定性及耐極化性能要差一些。銀/氯化銀(鹵化銀)固體參比電極是由金屬銀及其難溶鹽所組成的可逆反應(yīng)體系，適用于海水和海淡水等含有氯離子的介質(zhì)中。該參比電極具有較高的電位穩(wěn)定性和高的抗極化性能，通過采用合適的工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以獲得長(zhǎng)壽命參比電極[34-35]。

4 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

陰極保護(hù)準(zhǔn)則是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)于普通碳鋼而言，一般認(rèn)為，在有氧潔凈海水(25 ℃)中，負(fù)于-0.80 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水參比電極)可以使鋼結(jié)構(gòu)得到有效的保護(hù)。無氧海水或海泥中，普遍認(rèn)可的陰極保護(hù)電位標(biāo)準(zhǔn)是-0.90 V。另外，也可以采用施加陰極保護(hù)時(shí)被保護(hù)結(jié)構(gòu)的電位最小偏移量不低于100 mV這一準(zhǔn)則[36]。

隨著海洋裝備的發(fā)展，從減輕重量、安全可靠等角度考慮，高強(qiáng)度材料的使用越來越多，如張力腿平臺(tái)的漂浮牽引結(jié)構(gòu)、自升式平臺(tái)的樁腿、樁靴等，強(qiáng)度最高可達(dá)800 MPa以上[37]。隨著材料強(qiáng)度的增加，其氫致應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等局部腐蝕的敏感性增強(qiáng)，因此，對(duì)高強(qiáng)鋼施加陰極保護(hù)時(shí)，應(yīng)將其保護(hù)電位嚴(yán)格控制在合理范圍[38]。挪威船級(jí)社等制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼的陰極保護(hù)電位做了具體的規(guī)定[39-40]。常見的海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)電位范圍見表1。陰極保護(hù)準(zhǔn)則應(yīng)根據(jù)材料發(fā)展的需求不斷完善，以確保被保護(hù)結(jié)構(gòu)得到有效保護(hù)并避免氫脆或其他不良影響。

表1 海洋工程鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)電位(V)

5 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

海洋工程陰極保護(hù)效果與陰極保護(hù)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)不合理，不僅影響保護(hù)效果，甚至加速海洋工程裝備失效。海洋工程陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)法、縮比模型法和數(shù)值仿真法。

5.1 經(jīng)驗(yàn)法

在傳統(tǒng)的陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)中，大多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和平均分布的原理來設(shè)計(jì)陰極保護(hù)方案，并采用實(shí)際測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的方法來掌握電位分布規(guī)律。對(duì)于不同的海洋工程結(jié)構(gòu)物，已形成了一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[10-11，39-40]。這種方法雖然比較簡(jiǎn)單實(shí)用，但實(shí)際保護(hù)效果卻還有待提高，特別是對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒的新結(jié)構(gòu)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。

5.2 縮比模型法

縮比模型法是基于縮比理論，將海洋工程裝備按一定比例制成縮比模型，同時(shí)將介質(zhì)的電導(dǎo)率按比例縮小，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量評(píng)價(jià)不同方案的保護(hù)效果，從而確定最佳的陰極保護(hù)方案，是一種實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)?？s比模型法設(shè)計(jì)的陰極保護(hù)系統(tǒng)具有可靠、保護(hù)電位分布相對(duì)均勻的優(yōu)點(diǎn)[41-42]，但該方法的缺點(diǎn)是無法表征縮比前后電化學(xué)反應(yīng)過程的變化，而且縮比模型制作周期較長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。目前，該方法主要用于船舶外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)[43-44]。

5.3 數(shù)值仿真法

數(shù)值仿真法是通過計(jì)算機(jī)求解不同陰極保護(hù)方案的電位、電流分布，來確定最佳陰極保護(hù)方案。數(shù)值仿真法在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用始于上世紀(jì)60年代，由于有限差分法應(yīng)用到三維幾何圖形難度大，70年代發(fā)展了有限元法，為解決有限元法需要對(duì)整個(gè)空間域劃分單元而使工作量過大，處理三維問題能力較差的問題，80年代進(jìn)一步發(fā)展了邊界元法。邊界元法具有只需對(duì)邊界進(jìn)行離散、建模簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，其在海洋工程裝備陰極保護(hù)設(shè)計(jì)主要應(yīng)用有：模擬陰極保護(hù)電位分布(如圖1所示)，評(píng)價(jià)陰極保護(hù)效果[45-46]；預(yù)測(cè)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的壽命以及全壽期陰極保護(hù)效果[47-49]；優(yōu)化陰極保護(hù)系統(tǒng)，使得陰極保護(hù)效果最優(yōu)化[50]。

制約數(shù)值模擬與優(yōu)化應(yīng)用的最大局限性是難以獲得被保護(hù)對(duì)象在服役環(huán)境中的準(zhǔn)確邊界條件。隨著各種環(huán)境下邊界條件數(shù)據(jù)積累，數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)在陰極保護(hù)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。

圖1 半潛式起重船外加電流陰極保護(hù)電位分布的數(shù)值模擬Fig.1 Potential simulation of impressed current cathodic protection for semi-submerged crane ship

6 陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)

為了掌握海洋工程陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和保護(hù)效果，需要采用陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)。陰極保護(hù)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)包括保護(hù)電位、保護(hù)電流密度、陽(yáng)極電流等[51]。保護(hù)電位是評(píng)判陰極保護(hù)效果的基本參數(shù)，當(dāng)測(cè)量的保護(hù)電位處于合適的電位范圍(見表1)時(shí)，表明該結(jié)構(gòu)物處于良好保護(hù)狀態(tài)。若電位太正，表明未能得到充分的保護(hù)，而電位太負(fù)，則表明處于過保護(hù)狀態(tài)，容易加速油漆涂層的陰極剝離，或促進(jìn)金屬的氫脆開裂。

保護(hù)電流密度是指施加陰極保護(hù)后，金屬結(jié)構(gòu)物的腐蝕得到有效抑制時(shí)所需的電流密度值。盡管保護(hù)電流密度并不直接反映保護(hù)效果，但可以反映結(jié)構(gòu)物表面狀態(tài)的變化，并且對(duì)后續(xù)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。陽(yáng)極電流是指陰極保護(hù)系統(tǒng)中，犧牲陽(yáng)極或輔助陽(yáng)極的工作電流值。保護(hù)電流密度和陽(yáng)極電流的大小體現(xiàn)了實(shí)際工況下金屬結(jié)構(gòu)物的極化情況和犧牲陽(yáng)極消耗的快慢，是評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，評(píng)估陰極保護(hù)系統(tǒng)使用壽命的主要依據(jù)。

陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到上世紀(jì)七八十年代，美國(guó)等國(guó)家率先開展了大量的研究工作[52-53]，殼牌石油公司在加利福尼亞近海的Ellen平臺(tái)上安裝了陰極保護(hù)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[54]，用于監(jiān)測(cè)保護(hù)電位和保護(hù)電流密度的變化，經(jīng)過兩年的連續(xù)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)獲得了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)，為該海域后續(xù)陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù)。隨后，在墨西哥灣411 m深的Bullwinkle平臺(tái)上進(jìn)行了陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)，掌握了季節(jié)變化和風(fēng)暴等對(duì)陰極保護(hù)的影響[55]。英國(guó)BP公司也在海底輸油管線上安裝了陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[56]，監(jiān)測(cè)了保護(hù)電位、電流密度和溫度等參數(shù)的變化，保證了管線的使用安全。國(guó)內(nèi)陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)從上世紀(jì)九十年代開始在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用，并得到快速的發(fā)展[57-59]，為海洋工程的可靠運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用。

陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)通常由電位和電流測(cè)量探頭、信號(hào)傳輸及數(shù)據(jù)采集單元等組成。目前正朝著可視化、智能化、遙測(cè)及綜合監(jiān)檢測(cè)等方向發(fā)展[60-62]。

7 海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)將迎來海洋工程大發(fā)展的機(jī)遇，為海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也提供了巨大的需求和強(qiáng)勁的動(dòng)力。盡管陰極保護(hù)歷史悠久，而且已積累了豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，但陰極保護(hù)技術(shù)仍需不斷發(fā)展和完善，才能滿足海洋工程發(fā)展的需要。海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)主要呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：

(1)海洋工程陰極保護(hù)技術(shù)總體上將向著更綠色環(huán)保、更智能化、更高效費(fèi)比方向發(fā)展。

(2)海洋工程陰極保護(hù)用犧牲陽(yáng)極材料向系列化方向發(fā)展和完善，以形成可滿足不同環(huán)境和工況條件要求的犧牲陽(yáng)極材料體系。

(3)海洋工程外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)將向長(zhǎng)壽命、高性能和高可靠性方向發(fā)展。今后除了研發(fā)新的高性能輔助陽(yáng)極、參比電極材料以及電源設(shè)備以外，如何使系統(tǒng)更易于安裝、更換和維護(hù)是需要進(jìn)一步改進(jìn)的方向。

(4)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)將向著更精確、更優(yōu)化的方向發(fā)展?；跀?shù)值模擬的仿真設(shè)計(jì)技術(shù)會(huì)得到更多的應(yīng)用，其可靠性取決于邊界條件的準(zhǔn)確性，而這需要實(shí)際工程中積累的數(shù)據(jù)來提供支撐。

(5)海洋工程陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)將向智能化和綜合監(jiān)測(cè)方向發(fā)展，不僅監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)的電位，而且監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，并且可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)狀態(tài)預(yù)測(cè)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將成為海洋工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的有機(jī)組成部分。

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專欄特約編輯韓恩厚

特約撰稿人烏學(xué)東

特約撰稿人藺存國(guó)

特約撰稿人史洪微

特約撰稿人侯保榮

特約撰稿人許立坤

韓恩厚：男，1961年生，中科院金屬所二級(jí)研究員、博導(dǎo)，“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家，國(guó)家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心主任；當(dāng)選世界腐蝕組織副主席，國(guó)際腐蝕工程師協(xié)會(huì)會(huì)士，兼任《Corrosion Science》國(guó)際編委，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)兼職教授，中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)；1998年從美國(guó)麻省理工學(xué)院回國(guó)入選中科院“百人計(jì)劃”；從事材料的腐蝕機(jī)理、腐蝕防護(hù)技術(shù)、工程結(jié)構(gòu)的環(huán)境損傷壽命預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)研究；2006年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，2009年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，2012年獲遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，均排名第一；研發(fā)出多種鎂合金防腐蝕技術(shù)，已在航天和汽車規(guī)模應(yīng)用，核電材料與裝備安全評(píng)價(jià)研究結(jié)果已用于核電站中；發(fā)表論文300余篇，他引4 000余次，國(guó)內(nèi)外授權(quán)發(fā)明專利70余項(xiàng)；2012年獲何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

烏學(xué)東：男，1972年生，研究員，博導(dǎo)；2000年畢業(yè)于上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院獲博士學(xué)位并留校任講師，2001年晉升為副教授，2003年赴美國(guó)University of Illinois at Urbana Champaign (UIUC)化學(xué)系作訪問學(xué)者1年，2006年9月以“團(tuán)隊(duì)行動(dòng)”引進(jìn)中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所，2012年度寧波市“青年科技獎(jiǎng)”獲得者；現(xiàn)任寧波材料所知識(shí)產(chǎn)權(quán)部主任、表面事業(yè)部副主任、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、寧波市涂料與涂裝行業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)等職；長(zhǎng)期致力于高分子表面材料、有機(jī)功能涂層、表面化學(xué)等領(lǐng)域的研究；在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文60余篇，SCI他引次數(shù)400余次，申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利40余項(xiàng)，授權(quán)16項(xiàng)；近年來承擔(dān)了國(guó)家科技部“973”、國(guó)家科技部重點(diǎn)“863”、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金和面上項(xiàng)目、浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、寧波市重大工業(yè)攻關(guān)等項(xiàng)目。

藺存國(guó)：男，1973年生，博士、研究員。主要從事生物活性材料、仿生功能材料的研究?，F(xiàn)任中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所第四研究室副主任，中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)水環(huán)境專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)，山東省暨青島市腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)，中國(guó)海洋湖沼學(xué)會(huì)腐蝕與污損專業(yè)委員會(huì)理事。作為課題負(fù)責(zé)人先后承擔(dān)2項(xiàng)“973”課題，10余項(xiàng)技術(shù)基礎(chǔ)、基金等其他項(xiàng)目。獲授權(quán)發(fā)明專利18項(xiàng)，發(fā)表論文50余篇。獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)。

史洪微：男，1975年生，副教授，碩士生導(dǎo)師。2008年中國(guó)科學(xué)院金屬研究所博士畢業(yè)，2011年晉升為副教授。主要從事金屬表面防護(hù)涂層和機(jī)理研究。負(fù)責(zé)國(guó)家自然基金(課題名稱：有機(jī)酸根稀土鹽顏料的釋放和腐蝕抑制機(jī)理，編號(hào)：51001109)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題(課題名稱：防污涂料的納米技術(shù))和企業(yè)合作課題(高強(qiáng)鋁合金的防護(hù)涂層)。作為項(xiàng)目骨干，參加歐盟第七框架-瑪麗居里·行動(dòng)-國(guó)際研究人員交換項(xiàng)目的國(guó)際合作課題和其他國(guó)家課題。所研究的海洋納米防污涂料等，已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在《Corrosion Science》、《Surface & Coatings Technology》、《Applied Surface Science》、《Progress in Organic Coatings》等國(guó)內(nèi)外雜志上發(fā)表期刊論文20余篇，申請(qǐng)專利4項(xiàng)。其中SCI收錄論文10余篇，他引80余篇次。是6個(gè)國(guó)際刊物審稿人，多次在國(guó)際和國(guó)內(nèi)會(huì)議上做報(bào)告并獲獎(jiǎng)。

侯保榮： 男，1942年生，工學(xué)博士，中國(guó)工程院院士，中科院海洋研究所研究員，國(guó)家海洋腐蝕防護(hù)工程技術(shù)研究中心主任，中日海洋腐蝕環(huán)境共同研究中心主任，海洋防腐蝕產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長(zhǎng)；2007年，作為首席科學(xué)家承擔(dān)“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“海洋工程結(jié)構(gòu)浪花飛濺區(qū)腐蝕控制技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，2012年又承擔(dān)了“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“不同海洋重大海洋工程結(jié)構(gòu)安全與腐蝕控制技術(shù)及其示范”；出版專著5本，其中，日文專著《海洋腐食環(huán)境と防食の科學(xué)》被日本專家評(píng)價(jià)為“奠定了腐蝕環(huán)境研究的基礎(chǔ)，可以作為教科書使用”；主編論文集9本，發(fā)表論文360余篇，其中SCI、EI論文200余篇，形成了約300萬字的論文匯編；至今共獲得發(fā)明專利授權(quán)證書70余項(xiàng)，其中發(fā)明專利30余項(xiàng)；共獲山東省科學(xué)技術(shù)技術(shù)最高獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、山東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步獎(jiǎng)、國(guó)家海洋局和青島市科技局獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)共11項(xiàng)。

許立坤：1965年生，工學(xué)博士，研究員。現(xiàn)為中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所海洋腐蝕與防護(hù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。長(zhǎng)期從事海洋腐蝕與防護(hù)研究，主持了高技術(shù)船舶項(xiàng)目“海洋工程腐蝕防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”等各類科研課題10余項(xiàng)，發(fā)表論文120余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利30余項(xiàng)，研究成果在艦船裝備及民用工程中得到廣泛應(yīng)用，先后獲工信部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等成果獎(jiǎng)勵(lì)。主要學(xué)術(shù)兼職有山東省腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織金屬與合金腐蝕技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC156)委員、全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)金屬和合金腐蝕分技術(shù)委員會(huì)委員、全國(guó)海洋船標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)船用材料應(yīng)用工藝分技術(shù)委員會(huì)委員等。