化学工程与装备 2013年 第8期
180 Chemical Engineering & Equipment 2013年8月
阴极保护在海洋平台上的应用
曹永升，史勋汉，孙为志，王 沙，赵 晨
（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）
摘 要：本文通过分析对海洋平台所处环境的分析以及阴极保护的工作原理介绍，研究了阴极保护在海洋平台的腐蚀防护中的应用，分析了两种阴极保护的特点及其在海洋平台防腐工作中的应用情况和取得的效果。
关键词：阴极保护；海洋平台；腐蚀；防腐
1 概述
海洋平台是海上石油开采的主要装置。
随着海洋石油开发逐步向深海迈进，海洋平台的体积也逐渐加大，结构日趋复杂，投资日益增高。
并且海洋平台及其辅助设施都是由复杂的钢结构组成，长期受到海洋环境中着海水的侵蚀。
因此，如何加强平台结构的腐蚀防护、有效地控制平台钢结构的腐蚀，提高其使用寿命、保障生产运行的安全成为人们关注的焦点。
而阴极保护作为一种腐蚀防护方式，已广泛应用于各种环境的金属防腐实践中，这其中也包括海洋平台的腐蚀与防护。
2 阴极保护原理
阴极保护其实质是对阴极金属进行保护，防止金属结构的腐蚀。
通常我们把金属与周围的电解质发生反应、从原子变成离子的过程称为腐蚀。
腐蚀的危害性极大，世界上每年生产的钢铁中约有10％的钢铁因腐蚀而变成铁锈，大约30％的钢铁设备因为腐蚀而损坏。
这样不仅造成了极大的材料浪费，还会导致停产、人生伤害和环境污染等严重的生产事故。
据统计，有些国家由于金属的腐蚀造成的直接经济损失约占国民生产总值的2～4%。
金属腐蚀发生的根本原因是金属热力学性质上的不稳定性造成的，即金属本身较其他某些化合物（如氧化物，氢氧化物，盐等）原子处于较高的自由能状态，使得金属极易失去电子而被氧化，这种倾向在相应条件具备时，就会发生金属由单质向化合物的转化，即发生了腐蚀。
金属和金属的腐蚀主要是化学作用或电化学作用引起的，有时还包含了机械作用﹑物理作用及生物作用。
阴极保护一种用于防止金属在电介质中发生氧化还原反应的电化学保护技术，其基本原理是利用金属活性较大金属作为牺牲阳极、被保护金属作为阴极，或者是在被保护的金属表面施加一定的直流电流，从而使氧化还原反应不在阴
极金属上发生，进而达到保护阴极金属的目的。
也就是利用牺牲阳极材料或辅助阳极的腐蚀来替代被保护金属结构的腐蚀，从而使被保护结构的金属的使用寿命得以延长，进而提高设备等的安全性和经济性。
根据阴极供电电流的提供方式不同，阴极保护可分为牺牲阳极保护和外加电流保护两种。
（1）牺牲阳极阴极保护。
牺牲阳极阴极保护就是将电位更负，即金属活性较大的金属作为原电池的阳极，与被保护的金属相连，通过电负性金属或合金的不断溶解消耗，向被保护的金属提供保护电流，使处于电解质中的金属电子转移到被保护的金属上去，使得整个被保护的金属处于一个较负的相同的电位下，使阴极部分的金属免受腐蚀，达到保护的目的。
这种保护方式简便易行，不需要提供外加电源，并且很少产生腐蚀干扰。
牺牲阳极保护原理见图1。
图1 牺牲阳极保护原理图
（2）外加电流阴极保护。
外加电流阴极保护就是指利用外加直流电源和辅助阳极，将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属，使其产生阴极极化，使被保护的金属结构电位低于周围环境电位。
也就是通过给金属补充大量的电子，使被保护金属处于电子
曹永升：阴极保护在海洋平台上的应用 181
过剩的状态，使得金属表面的各点达到同一负电位，从而避免金属原子因失去电子而变成离子溶与溶液。
外加电流保护原理见图2。
图2 外加电流保护原理图
3 阴极保护的应用
阴极保护技术起源于160多年前，到70年代初日趋完善。
我国早期颁布的行业标准SYJ7-84中就已规定油、气集输管道必须采用阴极保护技术。
油、气管道建设过程中对其实施阴极保护是必不可少的，要求都要符合石油天然气行业标准SY/T 系列规范。
实践证明，采用阴极保护进行金属的腐蚀防护投资少、效果好，经济效益及社会效益非常明显。
阴极保护技术是防止海洋平台钢结构腐蚀的一种重要方法，实践证明，阴极保护可以有效地延长海洋平台的使用寿命。
其中利用电极电位比被保护金属电位低的金属或合金作为阳极的牺牲阳极保护技术，只是通过少量的有色金属材料的消耗，就可以完全的保护被保护金属免于腐蚀，这种方式相对于外加电流保护技术简单易行，不需外加电源，也不干扰邻近设备和装置，不需要由专人的管理，只需将金属活性较大的金属和被保护金属连接起来形成腐蚀电极，就能使阴极金属而得到保护。
通过阴极保护，不但能够使钢材的普遍腐蚀得到有效的抑制，而且电位控制得当，还可以使钢材的疲劳值接近于空气中的状态。
阴极保护还能够有效防止结构节点等高应力部位以及焊接热影响区的疲劳裂纹等的点蚀危害。
同时阴极保护过程中反应时所产生的石灰质层还可以填塞疲劳裂纹，能够有效减缓裂纹的生长速度。
在平台的设计与制造过程中，位于海水全浸区和海泥区的海洋平台结构的腐蚀与防护都是利用牺牲阳极保护技术，而不是采用防腐涂层。
因为必须充分考虑水下金属结构的防腐涂层的耐久性，以及防腐涂层维修、维护的难度，进行充分的技术及经济对比。
在海洋平台下水之初，阴极保护过程处于初期极化阶段。
在这个阶段，要使牺牲阳极能够起到保护的作用，就要给牺牲阳极提供很大的初期极化电流，在深海或者海水温度较低的环境中所需电流更大；随着阴极保护逐渐进入平稳期，对维持电流的需求将会大大降低。
通常初期极化所需的电流是维持电流的3-5倍。
随着海洋石油开发逐步向深海推进，阴极保护的设计也不尽相同，这是由深海与浅海的环境条件的差异所导致的。
影响深水区内阴极保护的设计的环境因素主要有以下几点：海水温度、海水盐度、海水的溶氧度、海水的PH 值以及海水流速等，其中海水温度以及海水的PH 值的影响最为显著。
由于钙产物膜在深水中不稳定，为了使钢结构的极化能够更加的充分，就需要提供更高一些的阴极保护的设计电位。
牺牲阳极的材料选择是另外一个影响阴极保护设计的重要因素，鉴于海洋环境十分恶劣，所以平台结构所需要的牺牲阳极材料的寿命要较长，这使得铝阳极成为在选择海洋平台钢结构的阴极保护的阳极材料时，铝阳极成为了首选。
目前在铝中同时加入锌和锢元素的铝阳极（At-Zn-In）是国内应用最为广泛的，其中的锌和锢元素能够对铝的活化产生有利的影响，从而使铝合金的电化学性能得以改善，在海水中AI-Zn-In-Cd 合金阳极因其具有极化率小、表面溶解均匀、电位稳定、腐蚀产物可自行脱落、电流效率可达85%等优点，而被广泛地应用于海水中的阴极保护技术上。
4 结论
多年的工程实践表明，阴极保护技术在海洋平台上的应用取得了较好的效果，延长了被保护结构的使用寿命，有效降低了海洋平台结构因金属腐蚀而造成的结构破坏，提高了海洋平台生产的安全性和经济性。
参考文献
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