陰極保護(hù)在海洋工程中的應(yīng)用范文
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1陰極保護(hù)防止腐蝕
陰極保護(hù)可以通過兩種方式防止腐蝕。一種是強(qiáng)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(dǎo)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(zhuǎn)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(xiàn)，例如鋼鐵設(shè)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(nèi)構(gòu)成的原電池中成為陽極，陽極會(huì)逐漸腐蝕，陽極需定時(shí)更換。因?yàn)闋奚陨黻枠O以保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)免遭腐蝕，這種做法也稱為犧牲系統(tǒng)。在犧牲陽極系統(tǒng)中，陽極釋放的電流遵守歐姆定律。由于初始時(shí)陽極和陰極之間的電勢差高，初始電流會(huì)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(chǎn)生的阻抗。在絕大多數(shù)應(yīng)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(hù)的長管道而言并非如此）。在一般情況下，細(xì)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(hù)設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)，并且重量要足以保證其在預(yù)期壽命內(nèi)始終釋放出電流。一般經(jīng)驗(yàn)法則是，陽極的長度決定了陽極能夠產(chǎn)生多少電流，因而決定了能夠保護(hù)多大面積的鋼；橫截面（重量）決定陽極能夠使這一保護(hù)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(huì)在鋅塊消耗掉的周期內(nèi)進(jìn)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(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用
外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)（ICCP），是由外部的直流電源直接向被保護(hù)的金屬通電，使之陰極極化，達(dá)到陰極保護(hù)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(gè)保護(hù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源；輔助陽極是外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，保護(hù)電流經(jīng)由輔助陽極流向被保護(hù)的船體結(jié)構(gòu)；參比電極用來測量陰極保護(hù)效果并為自動(dòng)控制提供信號。輔助陽極的安裝位置是以船體保護(hù)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(hù)電位值，因此其安裝位置直接關(guān)系到船體外殼的保護(hù)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(hù)范圍如圖3所示。在選用輔助陽極時(shí)，通常要求電極導(dǎo)電性好、耐腐蝕、壽命長、便于安裝，同時(shí)價(jià)格便宜。綜上所述，鋁成為最為經(jīng)常使用的陽極。對于鋁陽極而言，在鋁表面發(fā)生的反應(yīng)生成4個(gè)鋁離子和12個(gè)自由電子，如式（5）所示。而在船體表面，氧氣轉(zhuǎn)化為氧離子，進(jìn)而與水結(jié)合形成氫氧根離子，只要電流（自由電子）比氧氣更快的到達(dá)陰極（鐵），就不會(huì)發(fā)生腐蝕，如式（6）所示。目前選用比較多的是高純度、高穩(wěn)定性的鋅作為閉合環(huán)路中的參比電極。由于系統(tǒng)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(tǒng)中電纜的選型，確保在每條電纜的最大電壓降平穩(wěn)，同時(shí)不超過2V電壓變化量。
在現(xiàn)代海洋工程中，F(xiàn)PSO(浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船)、石油鉆井平臺（如中遠(yuǎn)的SEVAN650）都是集油氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存及外輸功能于一體，通常長時(shí)間停靠在油田、遠(yuǎn)離海岸的深海或淺海海域10年、20年甚至更久。在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)，平臺無法定期進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)需要考慮長期保護(hù)策略。由于鋼質(zhì)船體中會(huì)含有各種化學(xué)活性低于鐵的金屬如銅，在海水影響下金屬產(chǎn)生電化學(xué)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(jìn)塢維修年限，造成極大的經(jīng)濟(jì)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(zhì)隔絕，有效的緩解銹蝕，這是目前各種船舶中普遍使用的機(jī)械涂層防護(hù)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(huì)焊接大量鋅塊，以緩解銹蝕。犧牲陽極的保護(hù)方式，并不適合長期不進(jìn)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(dòng)防御，安裝外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)（ICCP）。采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)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(hù)，并且無污染產(chǎn)生，使用壽命可以達(dá)到15年以上，而且根據(jù)實(shí)際需要可以設(shè)計(jì)更長的使用時(shí)間。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)將電流外加于船體，可使電流均勻擴(kuò)散分布，系統(tǒng)通過參比電極測量的數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)整船體電位。
這里通過一實(shí)例比較來說明外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)（ICCP）的優(yōu)勢。在一個(gè)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(jì)算為：發(fā)生電流量If=（△E/R）×1000=400mA。式中：犧牲陽極的驅(qū)動(dòng)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(dāng)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(jì)算：Ni=（Ii×S）/If=665塊，其中Ii為船外殼保護(hù)電流密度35mA/㎡，S=7600㎡，If=400mA，如果一塊鋅塊質(zhì)量為9kg，按平均價(jià)格約20元/Kg計(jì)算，總重量為5985kg的鋅塊材料費(fèi)約為12萬元，同時(shí)這對船體自重，裝載量，航速，耗費(fèi)燃油等有直接影響，所以通常只在內(nèi)部艙室，如壓載艙，尾艙，舵，螺旋槳區(qū)域安裝鋅塊。相同浸水面積的船體（約7600㎡）換成ICCP保護(hù)就簡單多了，按照計(jì)算總電流為266A，用一個(gè)直流24v，300A輸出的控制單元，2個(gè)150A的陽極單元，2個(gè)鋅參比電極，若干水密穿艙件和合適的電纜就可以達(dá)成要求，一套系統(tǒng)不算電纜和人工費(fèi)用為12000美元（市值約7.4萬元）左右。理論和實(shí)踐證明這是目前船體防銹蝕，特別是針對長期不進(jìn)干塢維修的海洋工程船最有經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢的方法。
4結(jié)束語
從理論及實(shí)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(hù)系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢。具有環(huán)保、安裝便捷、功能穩(wěn)定、安全長效、性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在當(dāng)今船舶及海洋工程中的防蝕領(lǐng)域中占據(jù)了重要的地位。
作者：朱江單位：南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司海工研發(fā)中心