侯世忠

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471023）

0 引言

我国幅员辽阔，大陆海岸线长达1.8万多公里，近海海域面积约470多万平方公里。海水是一种强烈的腐蚀介质，航行在其中的船舶会遭受到不同程度的腐蚀，严重影响海军的战斗能力，因此，船舶的防蚀问题受到各个国家的重视。从英国化学家Davy自1824年首次应用阴极保护技术以来，经过190多年的研究，阴极保护技术得到了长足的发展。

阴极保护一般分为牺牲阳极和外加电流保护两种，两种方法各有优缺点，可以相互补充，或联合使用，其明显的保护效果和显著的经济效益得到了普遍的认可。近些年来，在腐蚀领域科研人员的努力下，阴极保护技术的各种设备、材料和设计技术又取得了新的进展。

1 概述

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被保护的金属结构提供阴极保护电流，被保护结构物成为阴极，使其阴极极化到一定范围，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。牺牲阳极保护是通过金属（阳极）自身的溶解来向被保护结构提供电流，外加电流保护是通过直流电源设备向被保护结构提供电流。目前阴极保护技术已经基本成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的埋地管网、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物的腐蚀控制。

近代科学技术的高速发展，特别是电子技术的突飞猛进，有力地促进了腐蚀防护学科的进步。阴极保护技术的发展以外加电流和牺牲阳极两大系列分别开发了多种产品和新材料，如辅助阳极从简单的钢管发展到石墨、高硅铸铁、铅银阳极、磁性氧化铁、贵金属氧化物阳极、铂钛阳极等，可控电源由磁饱和、大功率晶体管、可控硅三大系列的恒电位仪向IGBT电子电力模块、开关电源数字化发展；牺牲阳极已形成有铝基、镁基、锌基三大系列阳极材料以外的复合式阳极，以适应各种不同环境和工况。国外20世纪60年代出现了整体绝缘接头，发达国家如美国和西德已用整体埋地型绝缘接头取代了绝缘法兰。我国天然气总公司也研制了类似绝缘接头，并在工程上使用，这在城市管网中使阴极保护的普及更为经济和方便 [1] 。

2 研究现状

2.1 船体的阴极保护

2.1.1 牺牲阳极阴极保护

它是通过在船体外表面安装充当阳极的被牺牲掉的金属块，以保护作为阴极的船体钢板不被腐蚀。目前，船体使用的牺牲阳极有锌-铝-镉三元合金、高效铝合金阳极、铁合金阳极等。各种不同船型所采用的牺牲阳极型号和数量是根据船体各部位的形状、面积和环境情况专门设计的。

船舶牺牲阳极主要为锌合金阳极和铝合金阳极两种。我国于20世纪60年代主要参照美国标准开始研究工作，于70年代成功的研制出了锌-铝-镉合金牺牲阳极，并广泛应用在海军和民用的船舶及港工设施的防腐上，取得了重大的社会经济效益。在“七五”“八五”期间，对高效铝合金牺牲阳极进行科研立项，并研制出电流效率大于90%的铝合金牺牲阳极，其主要成分是铝-锌-铟-镁-钛，现在船舶上安装的牺牲阳极正逐步由高效铝合金阳极取代锌合金阳极和普通铝合金阳极。随着使用环境的变化，现在一种高活化铝合金牺牲阳极已经研制出来，其电流效率高于90%，主要成分是铝-锌-铟-镁-镓-锰，它在全浸区的电化学性能与高效铝阳极基本相同，但在间浸区性能要优于高效铝阳极，因此更适合在干湿交替的海水介质中使用 [2] 。

2.1.2 外加电流阴极保护

它是利用只起导电作用而不溶解的辅助阳极，在阳极和钢板之间加一直流电源，并通过海水构成回路。电源向钢板输入保护电流，使钢板成为阴极而得到保护。该外加电流保护系统由恒电位仪（外加电源）、参比电极、不溶性辅助阳极及接地装置等组成。整个系统使船体电位始终处在保护电位范围内。而生铁、石墨、银或者镀铂的钛常被用作阳极材料。

相对于牺牲阳极阴极保护技术，外加电流阴极保护具有系统保护寿命长、输出电流大且可以根据需要进行调节等优点。我国外加电流阴极保护系统自20世纪60年代开始进行研究，随着其技术的成熟，已经广泛应用于军舰和各种类型的民用船舶。该技术一般应用于船舶壳体、螺旋桨、舵等部位的保护。现在外加电流阴极保护技术也取得了长足的进步，主要研究方向以控制电源和辅助阳极为主，兼顾参比电极。

在船舰上常用的辅助阳极主要是铂-钛、铂-铌，它们具有排流量大，使用寿命长等优点，但价格昂贵，限制了其更广泛的应用。为降低费用，研制出了钛基贵金属氧化物阳极，其工作寿命为25年，电流密度为600A/m 2 ，性能接近铂复合阳极，且易加工成较大尺寸，已经在大型船舰上展开应用，由于制造成本的降低，在腐蚀的其他领域也得到广泛应用。为规范阴极保护系统的设计、安装和使用，制定了GB 8841-1988《海船牺牲阳极阴极保护设计和安装》、GB/T 3108-1999《船体外加电流阴极保护系统》、GB 7788-1989《船舶与海洋工程阳极屏蔽涂料通用技术条件》、GJB 157-1986《水面舰船牺牲阳极保护设计和安装》等标准 [3] 。

2.2 管道的阴极保护技术

我国研究阴极保护技术首先在船舶、闸门等钢铁构筑物上得到应用。埋地油气管道的阴极保护于1958年小规模试验，60年代在新疆、大庆等油气管道上推广，1965年在浑河水闸上使用。1970年长输管道开始建设时，阴极保护已是必需的技术，它可以成功控制埋地管道的腐蚀，延长管道的寿命，为管道的安全生产提供技术保证。阴极保护技术在Davy发明后，直到20世纪30年代才在管道上推广使用。《法国煤气》杂志曾报道过， 德国有1.7万km、法国有2万km、苏联有6万km、美国则有64万km管道施加了阴极保护 [4] 。

2.2.1 牺牲阳极法

它是将比需要保护的金属或合金电位更低的金属或合金，共同放置于同一个溶液中，因电位更低，在溶液中比被保护金属更快的溶解，释放出电流，从而保护了需要保护的金属，防止被腐蚀。常用的牺牲阳极材料有镁和镁合金、锌和锌合金和铝合金等，碳钢也可以作为阳极材料用于某些电位较正金属（如铜合金、不锈钢等）在盐水、海水环境中的保护。

（1）镁基牺牲阳极

镁基牺牲阳极有纯镁、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金等三类，其共同的特点是密度小、理论电容量大、电位负、极化率低，对钢铁的驱动电位大（>0.6V），适用于电阻率较高的土壤和淡水中金属构件的保护，但不足之处是它的电流效率不高，通常低于50%，其中性能较好和获得广泛应用的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn合金；

（2）锌基牺牲阳极

锌基牺牲阳极种类较多，有纯Zn、Zn-Al、Zn-Al-X、Zn-Sn、Zn-Hg系等。早期使用的都是纯Zn阳极，近年来锌合金阳极开始得到广泛应用。锌阳极自腐蚀速率小，电流效率高，极化效率高，使用寿命长，具有自动调节电流的特性，使用时没有过保护的危险。适用于海水、盐水及低电阻率（<15Ωm）的土壤环境，在潮湿土壤中电阻率可放宽到30Ω？m。锌合金阳极在使用中不发生析氢反应，碰撞到钢构件时不会诱发火花，是唯一可用于油罐保护的阳极；

（3）铝基牺牲阳极

铝电位介于镁和锌之间，表面极易钝化，常以合金方式使用。铝的原料来源广，制造工艺简单，是牺牲阳极品种中的后起之秀。常用的有Al-Zn-Hg、Al-Zn-Sn、Al-Zn-In等系合金。铝的理论电容量是2980A?h/kg，是镁的1.35倍，锌的3.6倍；铝合金阳极具有电容量大、寿命长、质量轻、易安装等特点，在海水等介质中性能良好，可广泛用于海洋环境中钢铁设施（如海上钻井平台、海底管道等）的保护，在海水环境中有取代锌合金阳极的趋势 [5] 。

2.2.2 强制电流法

强制电流法的作用机理是与牺牲阳极保护不同的，它主要是从外部加入电流，将需要被保护的金属阴极化，达到和阳极保护法相同的措施。强制电流法的构件包括稳定的直流电源、辅助阳极等。按溶解性划分，辅助阳极分为不溶性、可溶性、微溶性三大类阳极。强制电流法可提供较大的保护电流，具有保护距离长、方便调节电流和电压、使用范围广，主要适用于长输油管道以及当杂散电流引起的管地电位变化超越牺牲阳极的保护能力的情况。该方法是利用恒电位仪，将电流通过阳极输入到管道输出土壤中，流动到金属管道，从管道上连接的阴极电路回流到恒电位仪，相应地变化电流输出值，把变化的电位稳定控制在保护电位范围，使通电点位置电位保持稳定，起到改变阴极电位来实现阴极保护。

2.2.3 排流保护法

排流保护法的机理就是为有其他杂散电流干扰的情况下，利用排除方法，对需要保护的构件进行保护的方法。它有三种主要措施：（1）直接排流，该方法需要外接电源，在稳定的情况下，该稳定电流可以保护金属或合金，排除其他干扰电流。该方法需要谨慎使用，如果采用不当，就会造成更大的干扰，甚至是危险；（2）极性排流，因为二极管具有单向通过性的作用，只可以通过一方电流，在有正负干扰的电流情况下，插入二极管，可以保证电流通过一个方向，从而保护金属体；（3）强制排流，上述二种方法只能在排流时才能对保护体施加保护，如果不是排流期间，就无法起到保护作用，这样就需要强制排流的方法，利用恒定的整流器产生电流，从而达到保护作用 [6] 。阴极保护是管道防蚀必需的技术，在国内发展参差不齐，石油系统较好，长输管道都很重视，可做到与管道同步设计、施工、投产，长输管道的寿命达30年以上。近些年国内的阴极保护已达到国外先进水平，可在独立完成工程的设计和施工，一些产品已远销欧美国家，但也有不足，体现在软件、电器设备及遥测技术上。

3 应用进展

下面分别就阴极保护技术在船舶、钢筋混凝土、海洋平台、管道等方面应用以及阴极保护技术的进展情况进行介绍。

3.1 船舶阴极保护

阴极保护技术已经成为世界各国舰船必不可少的防腐技术，在舰船壳体、推进器、内舱、冷凝器和海水管路系统等部位得到了广泛应用，其明显的保护效果和经济效益得到了世界防腐领域及海军的普遍认可，每艘舰船均采取了不同类型的阴极保护技术进行防腐。目前，舰船阴极保护的发展仍是各国海军和腐蚀防护研究人员关注的热点，大批的科研人员对阴极保护系统的设备、材料、阴极保护理论计算和设计技术进行深入研究，以达到延长保护年限、提高阴极保护系统可靠性和自动化程度、降低保护费用的目的。

牺牲阳极保护技术的发展趋势是以新型的铝合金阳极替代传统的锌合金阳极，延长保护寿命，降低保护费用。目前舰船普遍采用的是锌合金牺牲阳极保护，由于其存在比重大，理论电容量小等缺点，一般设计使用寿命只有2～3年，已不能满足与舰用长效防腐防污漆配套使用达5年保护期的要求。外加电流阴极保护技术越来越多地应用于舰船壳体的腐蚀保护，其优点是设计保护寿命长、电位、电流可调节性强，但目前仍存在可靠性和经济性较差等缺点，未来的发展趋势是通过在恒电位仪的可靠性、辅助阳极的排流量、参比电极的长期稳定性等方面的改进，提高外加电流系统的可靠性和降低保护费用，延长保护年限 [7] 。

前些年船舶阴极保护设计技术基本上都是采用传统的保守方法，参数的选择和辅助阳极的位置布置一般根据设计者的经验来确定，人为因素较多。由于计算机技术的迅速发展，数值计算方法开始被运用到阴极保护领域，可以更加有效地估算被保护船体的电位分布，评价阴极保护效果。阴极保护中应用的数值方法经历了有限差分法（FDM）、有限单位法（FEM）和边界单元法（BEM）等阶段。其中边界单元法较其它两种方法适应性更广和准确性更高，目前已经将其应用于阴极保护设计，并有了较成熟的计算机软件。我国船舶阴极保护设计技术在科研人员的努力下，已取得了令人瞩目的成绩，相信随着国家科技进步和经济实力的增强，我国船舶阴极保护技术将会为舰船发展提供更强有力的支持。

3.2 钢筋混凝土阴极保护

钢筋发生腐蚀多是因为氯离子的渗入和空气中的二氧化碳在混凝土中发生碳酸化作用造成的。现在对钢筋混凝土采用的电化学保护是阴极保护，它通常与涂料联合使用。海洋环境钢筋混凝土设施主要包括采油平台、码头、跨海大桥及海岸建筑物等，大量的调查研究显示，钢筋腐蚀是导致海洋环境钢筋混凝土结构腐蚀破坏的最主要原因，氯离子、氧和湿气是影响钢筋腐蚀最重要的因素。用传统的局部打补丁方法对处于这些环境条件下的建筑物进行维修，效果很差或者说是无效的。

阴极保护是防止金属在电解质溶液中腐蚀最为有效的电化学保护技术，在过去的100多年里阴极保护技术被广泛应用于海水和土壤中各类钢结构的保护，效果早已被大量的长期工程实践所充分证明 [8] 。与此同时，阴极保护的应用领域不断扩大。1973年，Strufull等人将外加电流阴极保护应用到美国50号国道位于加州斯莱公园的钢筋混凝土公路桥上，开辟了阴极保护在钢筋混凝土结构中的应用，此后，这种方法在国外得到迅速发展和广泛应用，目前美国混凝土协会己经认可将该技术用于钢筋混凝土结构的维修和保护。美国联邦高速公路管理局（FIIWA）自1975年起，开始将阴极保护技术应用于钢筋混凝土的停车库、桥梁和隧道中，并于1982年指出：“阴极保护是已经被证实的唯一能够制止盐污染桥面板腐蚀的维修技术，无论混凝土中的氯化物含量如何”。 [9] 在弄清桥梁中的钢筋腐蚀的主要原因之后，专家提出了用高硅铸铁阳极和用焦碳填充的导电沥青组成的外加电流阴极保护系统，并于1974年应用于桥面板。从此以后，全世界已有约1×106m 2 的钢筋混凝土结构采用了阴极保护。

3.3 海洋平台阴极保护

海洋平台阴极保护既可以采用外加电流法也可以采用牺牲阳极法，也可以将两种方法联合应用。几种平台外加电流阴极保护方法用于海洋平台保护的比较如表1所示。

表1 几种平台外加电流阴极保护方法的比较 ^[10]

3.4 管道阴极保护

长输管线普遍应用阴极保护技术，且运行良好。如西气东输一、二线，陕京一、二、三线，西南成品油管线等大量的油气输送管线和各种长距离输水供水压力管道等都采用了有效的阴极保技术。油气田的集输管线大多实施了阴极保护并不断完善，各个油田的外输管线在设计初期就进行了保护方案设计，并且在施工过程中做到了与主体管道同时施工。区域性阴极保护也越来越多地开展，城镇市政管网已更多地采用了阴极保护，以有效控制和减少腐蚀事故损失，确保生产安全。如北京燃气、深圳燃气、福州燃气、郑州燃气、西安燃气等诸多城市燃气供应管理企业纷纷采用区域性阴极保护加强埋地管网的腐蚀控制管理。有许多企业在自控区域范围内进行阴极保护，如众多石化厂区、油气田集输管网、油气场站的综合地下设施等纷纷采取区域性阴极保护，大量已建在建的石油储备库群均要实施阴极保护 [11] 。

目前我国油气管道长度约10余万公里，根据“十二五”规划，到2015年我国油气管道将建设达到14万公里以上，国家石油战略储备最终要从36天达到90天的消费能力，发展潜力巨大。随着技术进步和标准体系的建设完善，近年建设的输送油气等危险物料的地下管网多实施了防腐层和阴极保护的组合腐蚀控制技术，在役埋地管网正逐渐完善阴保技术，但尚存大量工作有待完成。南水北调北京段预应力钢筋混凝土PCCP管段也采用了阴极保护技术。阴极保护的石油行业标准也都上升到了国家标准，GB/T 21448-2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》、BS 7361、ISO 15589-1、NACE RP0169 标准都对阴极保护技术的应用做了详尽的规定，阴极保护技术在长输管线的防腐保护中得到了认可。

3.5 阴极保护技术的进展

阴极保护技术广泛应用于各领域中，对相关金属构件的防腐具有重要的作用，是一种经济有效的电化学保护技术。其中牺牲阳极法具有无需外加辅助电源，对临近建筑物产生的杂流干扰很小，甚至无干扰，适用范围广等优点。该方法要求：阳极电位需足够负且稳定；有较高的电流效率；电化学当量高；阳极极化率较小且易活化；合金溶解均匀，不产生局部腐蚀，腐蚀产物松软易脱落且无公害；阳极材料来源充足，便于加工，价格低廉等。

现在大部分深海工程装备采用牺牲阳极进行保护，包括：（1）石油平台及管汇。全世界90%以上的石油平台桩腿采用牺牲阳极保护，用焊接方法安装在桩腿上。深海环境中，牺牲阳极用于保护采油树及管汇等；（2）海底管道。海底管道特别是深海管道，主要采用涂层联合牺牲阳极技术进行防护。牺牲阳极采用镯式Al-Zn-In-Si牺牲阳极；（3）深潜器。深潜器采用涂层联合牺牲阳极保护进行腐蚀防护。深潜器一般由耐压结构和非耐压结构组成，耐压结构材料强度高，采用Al-Ga低驱动电位牺牲阳极进行保护；而非耐压壳体处于压力交变、干湿交替的服役环境，采用高活化牺牲阳极进行保护 [12] 。

外加电流保护技术越来越多地应用于船舶等装备的腐蚀保护，其最大优点是只需安装较少的辅助阳极即可满足防护需求，设计保护寿命长，电位、电流可调节性强，保护度可调，但目前仍存在可靠性和经济性较差等缺点，其技术难度更高，且需要外加电源，不适合深海工程装备的防腐。它主要用于石油平台和大型船舶阴极保护，还用于牺牲阳极消耗完采油平台的后期防护。未来的发展趋势是通过在恒电位仪的可靠性、辅助阳极的排流量、参比电极的长期稳定性等方面的改进，提高外加电流系统的可靠性和降低保护费用，延长保护年限。

外加电流阴极保护的电位精确控制难度远大于牺牲阳极阴极保护。使用外加电流阴极保护技术对海洋工程装备，特别是由高强钢制造的深海工程装备进行阴极保护时，必须根据环境特点精确设计，并用阴极保护电位检测系统测量保护电位，避免辅助阳极附近电位过负，评估工程装备产生氢脆失效的风险。

近年来，阴极保护在技术和应用范围上都得到了较大的发展。油气输送站场的区域阴极保护技术发展迅速；一些先进的分析计算与测量技术与传统的阴极保护相结合产生阴极保护数值模拟计算技术、阴极保护探头监测与无线传输技术，大大提高了阴极保护设计和维护管理水平；同时随着油气管道、高压电网、城市轨道交通等基础设施建设的迅速发展，交、直流杂散电流干扰日益严重，对传统阴极保护提出了许多新的问题和需求，在解决实际生产技术需求的同时，交、直流杂散电流的腐蚀理论、评价体系、排除技术也得到进一步完善 [13] 。

目前，阴极保护技术与多种学科互相渗透，已形成高新技术开发的新局面。随着我国经济建设规模的扩大和不断深入，将促进阴极保护技术在以下方面进一步发展：（1）应用领域进一步扩大，由传统管道行业向其他行业延伸，由金属结构物外腐蚀控制向内腐蚀控制发展，如设备内壁外加电流阴极保护技术的研究及应用；（2）先进阴极保护数值模拟计算及数据远程控制技术的进一步完善及推广应用；（3）动态直流杂散电流的判别，交流腐蚀机理及交、直流干扰有效排除技术的深入研究；（4）深海环境金属结构物阴极保护实施关键技术问题的研究；（5）高性能牺牲阳极及辅助阳极材料的研发与产业化。

4 结语

阴极保护技术作为一项效果好、应用广泛的防腐蚀技术，其效果已经得到大家的认可。在我国，它早期主要应用于石油化工、船舶等领域，近年来随着东海大桥、杭州湾大桥等修建，在桥梁、港口等众多领域得到了推广。相信随着众多领域对腐蚀控制的重视，经过广大防腐蚀工作者的努力，阴极保护将得到更大发展，为更多构筑物、设备提供防腐蚀保护。

参考文献：

[1] 李晓星。阴极保护原理与新技术，合肥学院学报， 2006, Vol.16,增刊， 50-54.

[2] 鲁统军等。船舶阴极保护技术研究发展，2009年水环境腐蚀与防护研讨会， 99-101.

[3] 许友林，姚智刚等。船舶防腐蚀技术应用及其发展，中国修船，2008,Vol.21,增刊，17-20.

[4] 胡士信。管道阴极保护技术现状与展望，腐蚀与防护，2004,Vol.25, No. 3, 93-101.

[5] 韩汉清。阴极保护中阳极材料发展最新动态及趋势，全面腐蚀控制， 2013, Vol.27,No.1,3-6.

[6] 郭秋鸿。管道阴极保护技术现状与展望，化工管理，2014，No. 5, 111。

[7] 孙明先。舰船阴极保护技术的现状与发展，舰船科学技术，2001,No.2, 44-46.

[8] 葛燕，朱锡昶。海洋环境钢筋混凝土的腐蚀和阴极保护技术，中国港湾建设， 2004, No.3, 28-30.

[9] 颜东洲，黄海，李春燕。国内外阴极保护技术的发展和进展，全面腐蚀控制， 2010, Vol.24, No.3,18-21.

[10] 张脉松，尹鹏飞，马长江。海洋平台外加电流阴极保护技术，全面腐蚀控制， 2013, Vol.27, No.3, 20-24.

[11] 曹备，付山林。埋地管道阴极保护技术的应用与发展，2014年全国管道腐蚀控制与检测评价技术应用研讨会，65-70.

[12] 邢少华，李焰，马力等。深海工程装备阴极保护技术进展，装备环境工程， 2015, Vol.12, No.2, 49-53.

[13] 杜艳霞，路民旭。阴极保护技术最新研究进展，CIPC 2013中国国际管道会议，中国，河北，廊坊，2013 年9月，174-179.