一、概述

 

 

    1、腐蝕的定義：

    定義：金屬材料和周圍環境發生化學或電化學的作用而破壞。

    腐蝕過程的本質：金屬——金屬化合物海洋腐蝕環境是一種非常復雜的腐蝕環境，鋼在海岸的腐蝕比在沙漠中大400—500倍，離海岸24m的鋼試樣比離海岸240 m的同質鋼試樣腐蝕快12倍。

    在海洋平臺的設計和建造中，腐蝕是必須考慮的重要因素之一，了解海洋環境腐蝕的特點和采用有效的防護措施，并且通過日常的檢驗檢查、維護，確保防腐系統的有效性對海洋平臺的使用安全性和可靠性是十分重要的。

    目前，海洋平臺所處海域越來越深，海洋平臺越來越大，結構越來越復雜，投資也越來越高。為經濟地開發油氣，給生產安全提供保障，對平臺進行腐蝕控制勢在必行。

    本文主要介紹平臺的導管架、上部組塊的鋼表面處理、防腐涂層的施工、檢驗，陰極保護施工及安全環保等。

 

    2、海洋鋼結構腐蝕規律

 

     海洋平臺在不同的海洋環境下，腐蝕行為和腐蝕特點會有比較大的差異。其中飛濺區腐蝕最為嚴重，其腐蝕速度是海底全浸區的3~5倍。

 

    要對海洋平臺結構在海洋環境中腐蝕區域的腐蝕情況進行分析和界定，才能針對性地提出有效的保護措施。

    ——海洋大氣區：

    平臺結構完全在大氣中的部分。在大氣區域，腐蝕是由于空氣中的水分和氧氣引起的。大氣濕度大，長時間日照，而且大氣中含鹽粒和鹽霧，這些物質積存在結構表面形成良好的液膜，構成了電化學腐蝕的好條件，受到的腐蝕是陸地的數倍。尤其是甲板下部，長期處于潮濕地帶，是該區腐蝕最為嚴重的地方。

    處于大氣區中的鋼結構，一般采用涂層防腐蝕。平臺甲板、棧橋、管線支架及非保溫管線等都可采用底漆加中間漆、面漆的防腐蝕結構。

    ——飛濺區和潮差區：

    平臺在潮汐和波浪作用下干濕交替的區間。是在海洋環境中腐蝕最嚴重的部位。由于經常成潮濕表面，又與空氣接觸，表面供氧充足。長時間潤濕表面與短時間干燥表面的交替作用和浪花沖刷、漂浮物的撞擊，海洋微生物的侵蝕等，造成物理與電化學為主的腐蝕破壞，且破壞最大。

    浪花飛濺區及潮汐區鋼結構采用涂層防腐蝕。另外，因該區域是實施防腐保護最困難的區域，需增加腐蝕裕量——海水全浸區：

    平臺在飛濺區以下泥土中以上部分。 鋼質平臺在全浸區的腐蝕主要是受溶解氧的影響，形成電化學腐蝕。淺海腐蝕可能比海洋大氣中更迅速，深海區的氧含量往往比表層低得多，水溫近于O?C，腐蝕較輕。

    ——海底泥土區：

    平臺完全插入海底泥土中部分。存在硫酸鹽和還原菌等細菌，海底沉積物的來源及特征不一。這個區域平臺受海水影響少，且溫度低，腐蝕程度小，只是在海流作用交界處有一定腐蝕。

    全浸區和泥漿區的鋼結構一般采用陰極保護措施防止腐蝕。

    3、防腐施工設計的主要內容

 

    涂裝工藝

 

    ——導管架涂裝程序

    ——上部組塊涂裝程序

    ——涂裝工藝方案

 

    陰極保護工藝

 

    ——導管架陽極制造程序

    ——陽極施工工藝

    ——導管架陽極分布圖

 

     4、防腐工藝設計依據

 

    （1）項目基礎設計文件如平臺所在海域的自然氣候條件，基體材料性質，涂裝范圍，涂裝面和非涂裝面的劃分等

    （2）平臺設計使用壽命涂層設計耐久年限，維修維護的要求等；

    （3）結構所處的服務環境設備管線的工藝介質、溫度、流速等工藝操作條件和使用環境；

    （4）適用的國際或國家標準主要有：ISO-12944，NACE SP0108-2008，NACE RP0176-2003，NORSOK M501-2004等；

    （5）、國家或地區安全環保法令法規文件；

    （6）業主涂裝規格書和涂料廠家提供的涂料產品技術數據手冊

 

    二、涂裝工藝

    1、涂裝設計的基本要求

 

    （1）、確定和選擇性價比最佳的涂料產品和配套體系。

    （2）、編寫并評審詳細的涂裝作業指導書

    （3）、明確涂裝人員、技術指導、施工監督人員的職責和工作范圍

    （4）、提出與涂裝相關人員的資格要求。

 

    2、涂料與涂層的技術要求

 

    （1）、涂料與涂層

 

     ——具有流動性、擴散性、能成膜的具有一定附著力的有機或無機液體狀物質稱為涂料，將涂料涂敷在物體表面，干燥后形成涂膜，叫涂層，一般干膜厚度在1000μm以下。

    （2）、涂料特性：

    ——一定程度的防水、防濕氣、耐沖擊、耐摩擦、附著性能、一定的耐化學性、一定的保護作用、裝飾作用。平臺防腐涂裝施工一般需要較附著的工藝和特涂設備。

    （3）、重防腐涂料：

    ——是指能夠應用于苛刻腐蝕環境下長效防護的一類高性能防腐蝕涂料。按照國際標準，防腐壽命大于15年的涂層系統使用于海洋石油平臺。

    （4）、涂料種類：

    ——底漆：

    平臺結構用的底漆可為富鋅底漆、磷化底漆或高性能防銹底漆。

    富鋅底漆要求是含高比例鋅粉的涂料，同時要求與基材附著力強。

    富鋅底漆作用之一是防護，另外當涂層中有破壞或不連續時，鋅粉可以起犧牲陽極作用而保護基材。

    富鋅底漆一般采用無機富鋅底漆、環氧富鋅底漆等。

 

    ——中間漆：

    中間漆要求綜合防腐能力強。

    中間漆的特點是含高效的防銹材料或防滲透材料，如顆粒狀或鱗片狀鋅粉、玻璃鱗片、不銹鋼鱗片、納米級的鈦粉等為主的屏蔽型和陰極保護型涂料及各種新型緩蝕型涂料等等。

 

    ——面漆：

    面漆的作用是為底漆和中間漆提供一個保護層，減緩和限制水氣、氧及化學活性離子的滲入。還要求有抗沖擊性、抗老化性和抗溶性等。

 

    大氣區平臺結構或設備用的面漆可為環氧樹脂、氯化橡膠、乙烯樹脂、聚氯酯或丙烯酸樹脂涂料；飛濺區或全浸區結構用的面漆可為氯化橡膠、環氧樹脂或環氧瀝青涂料。

    3、涂裝系統

 

    （1）、重防腐涂裝系統：

    ——是指能應用于苛刻環境下長效防腐的一類高性能防腐蝕涂裝系統。

    （2）、海洋石油平臺重防腐涂裝系統的選擇原則：

    ——經濟性：經濟適用且總體經濟效果優越——施工性：施工性能好，配套性能好，工藝不復雜且能滿足要求。

    ——耐腐蝕性和耐化學性：滿足防腐壽命15年的要求。

    ——物理性能：耐氣候性好、耐水性好、耐老化，在水中能防污，     火災危險區防火，在罐內耐油、耐溫、耐壓、耐酸堿鹽等——抗冰性：在北方海區能抗冰的沖擊和磨損，——抗剝離性：飛濺區和海水區涂裝系統滿足國際標準——美觀性：具有光滑明亮的海上安全色——環保性：涂料不含鉛。

    （3）、涂層與犧牲陽極聯合防腐系統在導管架的防腐方面，最低潮汐以下和泥土中的鋼結構、樁用犧牲陽極防腐，最低潮汐以下的飛濺區用涂層防腐，涂層必須具備抗剝離性，與犧牲陽極配套。在渤海海區，飛濺區用玻璃鱗片環氧型的耐磨涂料（抗冰涂料）750~1000可防腐15年。

 

    （4）、涂裝體系設計：

    ——是根據不同材質所處的腐蝕環境確定腐蝕類型和腐蝕等級；

    ——根據要求的防腐壽命確定防腐蝕的級別；

    ——按照相應的技術要求和產品資料確定所選用的涂裝體系及其產品；

 

    涂裝體系的基本要素：

    ——金屬結構名稱、材質

    ——所在的服務區域

    ——操作服務溫度

    ——保溫與否

    ——表面處理的要求

    ——涂料體系（涂料類型、涂裝道數、涂層厚度等）

 

    4、涂裝表面處理

 

    （1）、概述黑色金屬、有色金屬，在其表面進行防腐涂裝之前，都必須對其表面進行預處理，清除表面的水分、油污、塵垢、外來雜質、鐵銹和氧化皮，以確保界面黏結，這個過程至關重要。

 

    結論：表面清理的質量是影響涂層質量的主要因素。

    （2）、金屬表面特性

 

    ——清潔度

    鋼鐵表面經常有一層鐵銹或氧化皮，且常被油污、焊接附著物、可溶性鹽、水等污染，影響涂襯粘結。

    ——孔隙度

    基體表面存在通底或不通底的細孔。粘結劑可以通過毛細孔作用深入到孔內，起到鑲嵌作用。

    ——粗糙度

    粗糙度反映了固體表面的粗糙程度，適當地將表面粗化，可提高粘結強度，但過分粗化反而會降低粘結強度。

    （3）、鐵銹的生成與危害

 

    鋼鐵在大氣中的腐蝕，一般是一個電化學過程，最終腐蝕產物是鐵銹，主要成分是氧化鐵，分子式為Fe2O3-H2O, 此外，鐵銹還含有大氣污染物與鋼鐵反應的多種生成物，如FeSO4.

    在高溫軋制或熱加工過程中，鋼鐵表面會生成一層氧化膜，稱為黑銹或軋制氧化皮，相對于一般鐵銹而言，它灰黑發亮而結實完整的表面對鋼鐵表面有一定的保護作用。

    但是，軋制氧化皮有許多肉眼無法察覺的的縫隙，這些縫隙將成為腐蝕源。因此，軋制氧化皮看起來灰黑完整，但在涂裝前應徹底清除。

    （4）、表面除銹的方法

 

    ——按除銹順序：一次除銹，二次除銹

    ——按工藝階段：車間除銹，整體除銹

    ——按除銹方式：噴射除銹，動力工具除銹，酸洗除銹等

 

    噴射除銹是一種除銹最徹底、效率最高且能實現自動流水線作業的先進除銹方法。噴射除銹常用的有拋丸、噴丸、噴砂和真空噴射等方法。

    （5）、鋼材表面除銹驗收準則

 

    為了判別銹蝕程度與質量等級，一般將鋼材的各種表面狀態和除銹質量等級用彩色照片清楚地對照說明。

    表面處理標準《鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》ISO 8501在國際上應用較多，還有瑞典標準SIS055900，國家標準GB8923-88等。

    1）鋼材的銹蝕等級

 

     分為A,B,C,D四級。規范用照片表示銹蝕等級，按銹蝕程度不同依次排列。A較輕，D銹蝕最為嚴重。

 

    2）鋼材表面的除銹等級

 

    也即清潔度，根據ISO 8501 《鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》，“Sa-”（即噴射除銹法），它分為四個等級。

 

 

    （6）、海洋鋼結構涂裝碳鋼表面處理一般要求：

    ——清潔度不低于ISO8501-1 Sa2.5級（對于設備內涂層、飛濺區和全浸區的表面其清潔度的要求Sa3級），——粗糙度為ISO8503 G（50μm-85μm），不銹鋼表面用非金屬磨料掃砂獲得清潔粗糙的表面，粗糙度大約在25μm -45μm；——表面鹽份的含量不超過20-50mg/m2NaCl；——表面塵埃清潔級別在ISO8502-3的2級以上。

    5、海洋石油平臺涂裝體系

 

    （1）、 A組涂裝系統

 

    1）普通碳鋼結構：

    區域：在海平面以上，除防滑工作甲板、熱浸鋅、電鍍部分之外的所有鋼結構表面（環境溫度≤93C）

 

    ——該區域典型的涂裝體系為：

    環氧富鋅底漆（50-75μm）環氧云鐵中間漆（125-175μm）聚氨酯面漆（50-75μm），涂層總厚度200-300μm；（-50℃—120℃）

 

    2）防滑工作甲板：

    甲板行走區域、逃生通道區域和裝卸甲板區域須滿足耐磨防滑抗沖擊的要求

 

    甲板漆的涂裝：一般通過添加防滑骨料獲得防滑效果富鋅底漆具有更好的陰極保護功能，環氧富鋅底漆具有更加良好的施工性能其典型的涂裝體系為：

    富鋅底漆（50-75μm）高固體份環氧中間漆（200-300μm）環氧甲板防滑面漆（200-300μm）涂層總厚度450-675μm；

 

    3）海洋飛濺區：

    由于該區域常年處于干濕交替的狀態，又經受海浪的沖刷和海生物的腐蝕，所以該區域為腐蝕最嚴重的區域。

    由于富鋅底漆的電化學導電性，在飛濺區涂層體系中不應用它作底漆其典型的涂裝體系為：

    環氧玻璃鱗片底漆（450-550）環氧玻璃鱗片面漆（450-550）涂層總厚度900-1100μm；

 

    （2）、 B組涂裝系統

 

    區域：所有的工藝管線、容器、管匯、泵和其他設備的鋼、不銹鋼、鋁的外表面。

    1）不銹鋼結構：——海洋平臺上所有不銹鋼儲罐、管線、閥門、儀表控制盤、儀表空氣管線等不銹鋼的表面涂裝不允許帶有其它雜質金屬元素的涂料和含氯涂料，所以不能使用富鋅涂料作為防護底漆，也不能使用氯化橡膠和氯化聚乙烯之類的涂料，而采用環氧涂料進行防腐處理。

    其典型的涂裝體系為：

    環氧底漆（150-200μm）

    聚氨酯面漆（50-75μm）

    涂層總厚度300-400μm；（-50℃—120℃）

 

    2）高溫區域——保溫或不保溫碳鋼結構，操作溫度（150℃—450℃）的工藝管線、容器、管匯等：

    在高溫環境中涂料受熱應力的影響很大，如果是驟冷驟熱則更有可能導致涂層的脫落。對于200℃以上的高溫環境，應盡可能采用無機富鋅涂料作底漆，它比一般的耐高溫鋁粉涂料具有更佳的底材附著力，在配合合適的高溫面漆的情況下，無機富鋅體系最高耐受溫度可達540℃。

    其典型的涂裝體系為：

    無機富鋅底漆（50-75）

    硅樹酯中間漆（25-50）

    硅樹酯面漆（25-50）

    涂層總厚度100-175μm；

 

    A,B兩組涂裝系統均應符合以下三點要求：

    ——一種涂層與上一層涂層顏色上要有差異

    ——所有面漆均應為國際橙色和黃色。

    ——所有干燥、固化、敷涂時間應遵守規格書要求。

 

    （3）、C組涂裝系統區域：圖紙中注明的所有完全沉沒水下的鋼結構和設備（全浸區）這個區域一般采用陰極保護外加防腐涂層的方法，如：

    高固體份環氧底漆（150-200）

    高固體份環氧面漆（150-200），

    涂層總厚度300-400μm；

    該區域涂料必須通過耐陰極剝離試驗合格。

    C組涂裝系統均應符合以下要求：

    ——一種涂層與上一層涂層顏色上要有差異

    ——所有面漆均應為淺灰色。

    ——所有干燥、固化、敷涂時間應遵守規格書要求。

    ——所有沉沒水下的關系和設備需按以上說明涂裝。

 

    6、 涂裝施工

 

    （1）、涂裝準備：

    1） 涂裝前應檢查所用涂料品種、型號、規格、貯存期限是否符合施工技術條件的規定；

    2） 使用多組分涂料時，各組分的配比應符合產品使用說明書的規定；混合后的涂料規定有一定的熟化時間；配制好的涂料應在規定時間內用完。

    3）準備程序開桶——攪拌——配比——熟化——稀釋——過濾

 

    （2）、涂裝方法

 

    1）人工刷涂：

    ——簡單實用，可涂刷各種形狀的構件，但勞動強度大，效率低。

    2）空氣噴涂法：

    ——優點：漆膜均勻、光滑平整、施工效率高。

    ——缺點：漆料和稀釋劑損耗大，漆霧飛散多，涂料的利用率一般只有75％；漆膜較薄，需噴涂多次才能達到一定厚度；噴涂時產生的漆霧，飛散在空氣中對人體有害。

    ——空氣噴涂法適用性也較強，大部份涂料都可以采用噴涂；對小件物品，考慮到漆料的浪費，所以不宜采用此方法。

    （3）、涂裝施工要點：

    1）、基本要求：

    ——噴漆作業時，構件表面必須清潔，油漆混合均勻。對于干燥而其灰塵的地面，必須澆水保持濕度均勻。

    2）、 噴漆時的環境要求

 

    ——6h內無雨、無霧、無大風

    ——相對濕度小于85%

    ——環境溫度大于5C

    ——表面溫度小于50C3）

 

    涂裝間隔時間：

    ——底漆應在表面處理之后盡快涂裝。各道涂層的涂裝間隔時間應符合產品使用說明書的要求，以便既確保每道涂層有足夠的固化、干燥時間，同時又保證層次間具有良好的附著力。

    4）漆膜的干燥

 

    ——涂料施工后的干燥過程，即成膜過程。涂料成膜后才具有防護性能，成膜過程質量的好壞，直接影響涂層的防護效果和壽命。

    ——防腐涂裝施工通常采用在常溫自然大氣狀態（溫度8 攝氏度以上）的自然干燥方法。

    ——漆膜在干燥過程中，應保持周圍環境清潔，防止灰塵、雨水、雪等污染。

    5）漆膜厚度控制

 

    ——施工時應經常用干、濕漆膜測厚儀測定漆膜厚度，以保證干膜厚度和各涂層的均勻。

    ——對于邊、角、焊縫、切痕等部位，在噴涂之前應先涂刷一道，然后進行大面積的涂裝，以保證凸出部位的漆膜厚度。

    6）修補涂裝

 

    ——修補漆時，所使用的涂料品種、涂層層次與厚度、涂層顏色應與原設計要求一致；

    ——表面處理可采用手工機械除銹方法，但要注意油脂及灰塵的污染。在修補部位與不修補部位的邊緣處，要有過渡段，以保證搭接處的平整和附著牢固。對補涂部位的要求也應與上述相同。

    7、涂層防腐工藝對環境和安全的影響

 

    （1）、燃燒與防火

    ——施工人員嚴格遵守操作規程，嚴防明火。

 

    （2）、爆炸與防暴

     ——保持施工環境的通風換氣，油漆放置必須遠離電源。

 

    （3）、毒害與防毒

    ——嚴格控制揮發性有機溶劑蒸汽在空氣中的濃度，施工人員必須穿工作服，戴眼鏡、手套。

    三、鍍層工藝

 

    1、防腐鍍層

 

    在海洋結構物中，還有一種常用的防腐蝕方法是鍍層防腐技術。這些用于延長鋼鐵基體使用壽命的耐蝕性鍍層可以是純金屬鍍層、合金鍍層，也可以是金屬基復合鍍層，每一種鍍層都以其特有的方式保護基體金屬免遭腐蝕。

   盡管耐蝕性鍍層多種多樣，但是，從其作用機理上看，依據鍍層金屬在腐蝕性環境中與基體金屬之間的電化學關系，可以將其簡單地分為兩大類——陰極性鍍層和陽極性鍍層。

 

    （1）、陰極性鍍層：

    對于鋼鐵基體金屬而言，陰極性鍍層（如銅、錫、鎳鍍層等）是以形成機械保護膜的方式將腐蝕性環境與基體金屬隔開，從而保護鋼鐵基體免遭腐蝕。

    但是，如果陰極性鍍層本身存在缺陷（如孔隙、裂紋、磨損等），其保護作用就會顯著降低，甚至還有加速基體金屬腐蝕的可能性。因此，鍍層的完整性及其在腐蝕性介質中的穩定性是決定其耐蝕性高低的關鍵因素。

    （2）、陽極性鍍層：

    對于鋼鐵基體金屬而言，陽極性鍍層（如鋅、鎘鍍層等）是以機械保護或以犧牲自己保護基體（自身優先腐蝕）的雙重保護方式防止基體金屬發生腐蝕。

    當鍍層無缺陷時，鍍層對基體起機械保護作用；當鍍層有破損時，陽極性鍍層則代替基體金屬優先發生陽極溶解、從而阻止或減緩基體金屬腐蝕的速率。因此，陽極性鍍層在腐蝕介質中的電化學特性、腐蝕產物的穩定性、致密性是決定其耐蝕性好壞的重要因素。

    與陰極性鍍層不同，陽極性鍍層具有雙重保護基體金屬免遭腐蝕的能力。正因為如此，人們總是希望選用陽極性鍍層作為鋼鐵材料的保護層。對于鋼鐵材料而言，最常用的陽極性鍍層是鋅鍍層和鎘鍍層。

    1）鋅鍍層

 

    早在20世紀20年代，人們就開始使用氰化鍍鋅工藝或酸性鍍鋅工藝進行工業化鍍鋅生產。由于鍍鋅層本身是陽極性鍍層、經過鈍化處理的鍍鋅層具有更好的耐蝕性、鍍鋅生產成本低廉等一系列優點，直到如今，鋼鐵鍍鋅仍然是最常用的防止黑色金屬發生腐蝕的方法之一。

 

    2）隔鍍層

 

    在中性的大氣腐蝕環境中，雖然鍍鋅層對鋼鐵基體有較好的防腐蝕性能，但是在更為苛刻的腐蝕性環境中（如海洋性大氣環境等）服役的裝備，人們傾向于選用具有更好耐蝕性的鎘鍍層作為鋼鐵基體的防腐蝕鍍層。

    鍍鎘層只能用在鋅鍍層不能滿足耐蝕要求、且不與人體或食物相接觸的場合（鎘與鎘的化合物都是劇毒物質）。

    鎘及其化合物昂貴的價格也是鍍鎘工藝的應用范圍受到限制的重要原因之一。

    3）鋅基合金鍍層

 

    為了研制出耐蝕性比鋅高，毒性比鎘小的無毒或低毒代鋅、代鎘鍍層，自20世紀80年代起，以鋅作為主要組成元素的鋅基合金電鍍工藝及其耐蝕性的研究方興未艾。

    結果表明，作為陽極性防腐鍍層，鋅基合金鍍層有可能成為最有希望的代鋅、代鎘鍍層，其中，鋅－鐵合金、鋅－鈷合金、鋅－鎳合金鍍層是研究最多的三類鋅基合金鍍層。

    2、鍍覆方法：

    ① 結構或設備表面的鍍覆可采用電鍍、熱浸鍍、熱噴鍍等方法。

    ②鍍前表面處理、鍍覆中和鍍后處理應符合有關工藝技術條件的規定。

    ③鍍層質量應符合CCS的標準檢驗。

    ④接觸海水、水泥漿、鉆井泥漿等侵蝕性介質的平臺結構或設備表面，一般不宜采用鋅鍍層保護。如采用鋅鍍層保護，則在鍍層表面應涂裝專門的底漆和面漆。

    四、陰極保護施工

    1、概述

 

    海洋平臺飛濺區以上使用涂裝或鍍層保護，是非常有效的保護方法。

    但對飛濺區以下，特別是全浸區的保護，就不那么安全可靠。如漆膜破損，會引起局部嚴重腐蝕和腐蝕疲勞。

    因此，全浸區一般不單獨使用涂料涂層保護。實踐證明，涂裝加陰極電化學保護，才是完美的保護方法。

 

    六十年代初，我國開始研究陰極保護方法，六十年代末期在船舶，閘門等鋼鐵構筑物上得到應用。

    我國埋地油氣管道的陰極保護始于1958年，六十年代在新疆、大慶、四川等油氣管道上推廣應用，目前，全國主要油氣管道已全部安裝了陰極保護系統，收到明顯的效果。

 

    ——海洋鋼結構在海水中發生的腐蝕是電化學反應。當電化學腐蝕發生時，金屬表面存在隔離的陰極與陽極，有微小的電流存在于兩極之間，形成原電池。

    ——在海水中鋼結構由于成分不均一，在金屬表面形成了局部的陰極區和陽極區，形成無數微小的原電池。陽極不斷溶解遭到腐蝕。

    ——原電池三要素：

    1）電極電位不同的兩電極；

    2）兩電極必須在同一電解質溶液里；

    3）兩電極間必須有導線連接。

 

    （1）、陰極保護原理

 

    1）、腐蝕電位或自然電位：

    ——每種金屬浸在一定的介質中都有一定的電位，稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位）。

    ——腐蝕電位可表示金屬失去電子的相對難易。腐蝕電位愈負愈容易失去電子。

    我們稱：失去電子的部位為陽極區。

    得到電子的部位為陰極區。

    ——陽極區由于失去電子（如，鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入海水）受到腐蝕，陰極區得到電子受到保護。

    2）參比電極

 

    ——為了對各種金屬的電極電位進行比較，必須有一個公共的參比電極。參比電極是一種在類似于測量條件下恒定的電極，用來測量其它電極的相對電位。

 

    飽和硫酸銅參比電極，其電極電位具有良好的重復性和穩定性，構造簡單，在陰極保護領域中得到廣泛采用。

    陰極保護的原理：是給金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態，使金屬表面各點達到同一負電位，金屬原子不容易失去電子而變成離子溶入溶液。

    有兩種辦法可以實現這一目的：

    ——犧牲陽極陰極保護——外加電流陰極保護

 

    （2）、犧牲陽極保護法

 

    ——根據金屬電化學腐蝕原理，將電位更負的活潑金屬Al、Zn 等合金固定于鋼質結構物上，兩者以海水為介質，構成了一對陰、陽極，依據金屬電化學原理將腐蝕掉Al、Zn 合金金屬，達到保護鋼質結構物的目的。

 

    應用：保護小型平臺、小型儲罐、海管等。

    ——優點是：

    （1）保護系統不需外加電源，

    （2）不需特殊照管；

    （3）不易產少雜散電梳。

    ——缺點是：

    （1）功率小；

    （2）陽極有效作用半徑小；

    （3）所得到的電能成本高；

    （4）電流輸出量受工作表面積大小的限制；

    （5）導線電阻和介質電阻對電流輸出量影響大；

    （6）犧性陽極的體積和重量均較大。

    （3）外加電流保護法：

    將要保護的鋼鐵設備作為陰極，另外用不溶性電極作為輔助陽極，兩者都放在電解質溶液里，接上外加直流電源。

    通電后，大量電子被強制流向被保護的鋼鐵設備，使鋼鐵表面產生負電荷（電子）的積累，只要外加足夠強的電壓，金屬腐蝕而產生的原電池電流就不能被輸送，因而防止了鋼鐵的腐蝕。

 

    應用：保護大型平臺、大型儲油罐。

    優點是：

    （1）電流電壓可調性好，可隨外界條件變化實現自動控制；

    （2）輸出功率大，可滿足金屬結構需要大功率保護的要求；

    （3）根據保護的需要，可隨時進行工作或停止工作

    （4）輔助陽極保護半徑大，數量少；

    （5）重量較小。保護系統初始投資大，安裝較復雜，

 

    缺點是

 

    （1）日常維護管理費用大；

    （2）陽極電纜和支架要嚴格絕緣；

    （3）設備發生故障，保護系統即停止工作

    （4）易于引起雜散電流。

 

    總結分析：

    一般小型平臺，采用犧牲陽極保護比較經濟，而大型導管架平臺，采用外加電流陰極保護比較合理。

    近來研究和試驗表明，采用兩種方法聯合保護，已取得良好效果。特別是在結構復雜、管節點處受遮蔽的地方得不到充分保護時，在外加電流系統中加裝犧牲陽極是個好辦法。

    一般情況下，陰極保護的費用只占被保護金屬結構物造價的1%~3%，而結構物的使用壽命可以成倍甚至幾十倍地延長。

    由于陰極保護具有設備簡單、施工方便、保護時間長等優點，近年來得到迅速的發展和廣泛的應用，是一項投資少、效果好、經濟效益顯著的適用技術。

    2、陰極保護參數

 

    （1）、腐蝕電位或自然電位

 

    ——每種金屬浸在一定的介質中都有一定的電位，稱之為該金屬的腐蝕電位（自然電位）。

    （2）、保護電位

 

    ——最小保護電位：鋼鐵獲得完全保護時的絕對值最小的值。

    ——最大保護電位：將電位控制在比析氫電位稍高的電位值，此電位稱為最大保護電位。（在陰極保護條件下，允許絕對值最大的負電位值）——所謂析氫電位是指在陰極保護中，當陰極電位被極化負到一定程度時，溶液中的氫離子在陰極奪取電子而成為氫分子析出，這時的電位稱為析氫電位。析氫會使涂層起泡脫落，也可能使鋼材產生氫脆，所以陰極保護電位不能越過析氫電位。

    ——超過最大保護電位時稱為“過保護”。

    （3）極化電位：

    ——在斷掉被保護結構的外加電源或犧牲陽極0.2—0.5秒中之內讀取的結構對地電位。

 

    （4）、最小保護電流密度

 

    ——使被保護的結構表面電位達到最小保護電位時，所需的保護電流密度值。

    ——保護電流密度的大小，取決于環境，如海水的鹽度、氫溶解量、海流速度、金屬表面狀態、是否有涂層、陽極的分布、陰極沉積物等情況，都明顯地影響保護電流密度。

    ——下表是參考值挪威船級社給出的用于保護電流密度選擇的參考值表中給出了一些主要海區和特殊環境下三類最小設計保護電流密度值。初始電流密度值是用于確定新陽極所需的電流輸出量，最后的電流密度值，是用來確定當陽極被消耗到利用系數時，所必須的電流輸出量。平均電流密度，用來確定陽極的數量。

 

    3、陰極保護準則

 

    ——通電情況下，海水中的鋼結構最小保護電位為-0.85~-0.95V

    ——最大保護電位不得低于-1.1V。

    ——極化電位與自然電位差不得小于100MV

 

    4、陰極保護設計

 

    ①計算和決定陰極保護系統所需的保護電流、保護電位和所需功率

    ②外加電流保護系統中供電系統設計。

    ③設計陰極保護系統各零部件及安裝的結構。

    ④犧牲陽極保護中陽極材料選擇，尺寸。數量的計算，并決定在結構中的布置

    ⑤擬定陰極保護系統的使用管理辦法。

    5、陰極保護材料

 

    （1） 犧牲陽極材料

 

    1）對犧牲陽極材料的要求：

    ——導電性能好，電流發生量大，在海水中自蝕最小，消耗速度慢，使用壽命長

    ——具有良好的機械性能和加工性能；

    ——重量輕，體積小，安裝方便；

    ——材料來源豐富，價格便宜。

    2）犧牲陽極的種類

 

    犧牲陽極最常用的有鎂合金、鋅和鋅合金以及鋁合金。

 

    由表可知，鎂陽極發生電流量大，重量輕，電位低，但電流效率低（自蝕量大），因而消耗量也大，壽命短，使用中的海洋平臺無法更換，所以平臺上基本不用，主要使用鋅和鋁的合金陽極。

    ——鋅合金與鋁合金陽極相比較，鋅合金陽極重量大，成本高；鋁合金的電流發生量大約是鋅合金的3.6倍，價格便宜，資源豐富。

    ——鋁陽極適用于保護船舶和海洋結構物，而鋅陽極則主要用于保護艦船、海管等結構物。

 

    3）犧牲陽極幾何形狀、尺寸

 

    ——影響犧牲陽極幾何形狀和尺寸選擇的因素很多，如結構的外形、需要保護面積的大小、介質的電阻率、安裝難易、使用是否可靠、陽極發生電流量、使用年限等。

    —— 海上導管架常用的為圓形、方形或梯形截面條狀陽極，一般根據長度與重量比、表面積與重量比，選用不同大小的形狀。每塊質量通常在50~200kg。

    （2） 、外加電流陰極保護陽極材料

 

    輔助陽極——與強制外加電流的正極相連，僅限于導電為目的電極。

    1）對輔助陽極材料的要求

 

    ——導電性能好、載流密度高

    ——有良好的化學和電化學穩定性，消耗率低，壽命長；

    ——機械性能好，便于加工制造和運輸安裝

    ——價格便宜，綜合費用低

 

    2）輔助陽極材料的種類

 

    ——鉛銀合金、鉛銀鉑符合材料、高硅鑄鐵和鍍鉑鈦。

 

    3）輔助陽極的形狀與幾何尺寸

 

    陽極外形要與陽極布置形式相配合，以適應結構保護的需要，使結構各部分能得到均勺而高效的保護。平臺常用陽極的形狀，多數為棒狀和板狀：其形狀與安裝方法有很大關系。

 

 

    ——陽極尺寸的大小，應使其具有足夠的表面積，一般外加電流輔助陽極數量比犧牲陽極少，但輸出電流量比犧牲陽極大，電流分布效率低，一般為0.67~0.80之間。這些輔助陽極，可設計為每個陽極輸出30~200A電流（典型犧牲陽極每塊發生電流，通常為3~6A）。

 

    6、陰極保護施工

    （1）、犧牲陽極的布置和安裝

 

    1）陽極與平臺之間要有可靠的導電連接，規定安裝距離，在總體上做到均衡布置，以便達到所要求的保護電位；

    2）陽極、陽極鐵心和其支架應具有足夠的連接強度，以承受波浪、潮流、打樁就位時的施工載荷，

    3）陽極體表面嚴禁沾染油污、涂裝油漆。

    4）陽極可采用焊接法或螺栓固定法安裝，其中常用的安裝方式：

    掛板固定法、掛鉤固定法、角鋼固定法、螺栓固定法

 

    ——為了重點保護結構節點，防止點蝕和焊縫熱影響區的腐蝕，陽極應距節點近些。

    ——了改善電流分布，每個陽極都應安裝在至少離結構表面300mm的地方。若陽極緊靠構件安裝，陽極背面應涂上絕緣屏蔽層。

    ——若陽極直接焊在平臺結構上，可在建造廠進行。對于懸掛式陽極，一般在平臺海上就位后再安裝。

 

    （2）、外加電流保護法設計與施工

 

    1）、外加電流陰極保護系統的組成

 

    ①輸出低壓直流電的電源一一自動恒電位儀

    ②用來排出陽極電流的輔助陽極；

    ③可連續測量平臺保護電位的參比電極。

 

    自動控制電源——自動恒電位儀：

    ——自動控制電源是一種自動控制電流輸出的低壓大電流電源。輸出電壓12—24V，并根據外界條件的變化，經自動控制裝置隨時調節所需保護電流，使保護電位在最佳范圍之內。

    輔助陽極：

    ——作用是從陽極排出保護電流，流經海水達到被保護的金屬結構（平臺）的表面。陽極排流過程也有溶解過程，所以陽極的重要特性是排流量和消耗率。消耗率是排出單位電流時，單位時間內陽極材料的消耗量。

    2）輔助陽極的布置近陽極布置法：

    通常是采用許多小陽極分散安裝在結構的支撐構件上，這種布置方法的特點是：安裝簡單，操作方便，結構表面電流不均勻時易于調整，保護范圍比較固定。但所需陽極塊數量較多，電流調整工作量大，電流消耗大。

 

    遠陽極布置法：

    ——是用少數的陽極，安裝在離平臺結構較遠的位置。布置遠陽極的目的是分散輸出電流，使其均勻分布在整個被保護的結構表面上，從而避免了靠近陽極處的過保護現象發生。

    ——這種方法的最大優點是用少量的陽極，保護面積較大的結構，電流分布比較均勻。但電流分布不均勻時不易調整。遠離平臺的輔助陽極固定比較麻煩，電纜易損壞。為避免電纜損傷，通常把電纜放在套管內。

 

    7、防腐系統的檢查和維護

 

    （1）、 涂層

 

    1） 大氣區的涂層應在平臺年度檢驗時進行檢查，并應根據損壞程度予以局部修補、整新或全面重新涂裝。

    2） 飛濺區結構如采用涂層保護時，則涂層應每年檢查一次，損壞部分應盡快予以修補。

    3） 具有陰極保護的水下結構的涂層，在檢查陰極保護系統的同時也應予以檢查，檢查結果應按規范要求將記錄保存。

    4）飛濺區結構采用特種防腐系統保護時，對其保護效果至少每年要進行一次直觀檢查。防腐系統如有損壞，則應及時予以修復。

    （2）、 陰極保護

 

    1） 陰極保護系統投入運行之后，對陰極保護的效果應進行定期檢查。測量和評價陰極保護的效果可采用下列方法：

    ①測量被保護構件的電位--被保護構件的電位應符合規范的規定；

    ②直觀檢查--潛水員目測、水下攝影、水下電視等所反映的平臺腐蝕狀況不得超出使用年限允許的范圍；

    ③腐蝕掛片檢查--試片腐蝕形態和速率應在平臺使用年限所允許的限度之內。

    對于犧牲陽極保護的結構，應一年進行一次電位測量，對于外加電流保護的結構應一個月進行一次電位測量。直觀檢查和腐蝕掛片的周期可根據需要確定2） 參比電位的準確度應定期檢查。測量電位時，參比電極應盡可能靠近待測的平臺結構。

    3）陰極保護系統交付使用后，應對其運行的可靠性進行定期檢查：

    ①對犧牲陽極保護系統，應檢查陽極溶解狀況、機械損傷情況等，這種檢查應在平臺特別檢驗時進行；

    ②對外加電流陰極保護系統、電源設備運行狀況，如輸出電流（包括各輔助陽極分路的電流）、電壓、功率消耗等，至少應每一個月檢查一次；輔助陽極、電纜和參比電極的工作狀況，應在平臺年度檢驗時進行檢查。

 

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414