一、概述

 

 

    1、腐蚀的定义：

    定义：金属材料和周围环境发生化学或电化学的作用而破坏。

    腐蚀过程的本质：金属——金属化合物海洋腐蚀环境是一种非常复杂的腐蚀环境，钢在海岸的腐蚀比在沙漠中大400—500倍，离海岸24m的钢试样比离海岸240 m的同质钢试样腐蚀快12倍。

    在海洋平台的设计和建造中，腐蚀是必须考虑的重要因素之一，了解海洋环境腐蚀的特点和采用有效的防护措施，并且通过日常的检验检查、维护，确保防腐系统的有效性对海洋平台的使用安全性和可靠性是十分重要的。

    目前，海洋平台所处海域越来越深，海洋平台越来越大，结构越来越复杂，投资也越来越高。为经济地开发油气，给生产安全提供保障，对平台进行腐蚀控制势在必行。

    本文主要介绍平台的导管架、上部组块的钢表面处理、防腐涂层的施工、检验，阴极保护施工及安全环保等。

 

    2、海洋钢结构腐蚀规律

 

     海洋平台在不同的海洋环境下，腐蚀行为和腐蚀特点会有比较大的差异。其中飞溅区腐蚀最为严重，其腐蚀速度是海底全浸区的3~5倍。

 

    要对海洋平台结构在海洋环境中腐蚀区域的腐蚀情况进行分析和界定，才能针对性地提出有效的保护措施。

    ——海洋大气区：

    平台结构完全在大气中的部分。在大气区域，腐蚀是由于空气中的水分和氧气引起的。大气湿度大，长时间日照，而且大气中含盐粒和盐雾，这些物质积存在结构表面形成良好的液膜，构成了电化学腐蚀的好条件，受到的腐蚀是陆地的数倍。尤其是甲板下部，长期处于潮湿地带，是该区腐蚀最为严重的地方。

    处于大气区中的钢结构，一般采用涂层防腐蚀。平台甲板、栈桥、管线支架及非保温管线等都可采用底漆加中间漆、面漆的防腐蚀结构。

    ——飞溅区和潮差区：

    平台在潮汐和波浪作用下干湿交替的区间。是在海洋环境中腐蚀最严重的部位。由于经常成潮湿表面，又与空气接触，表面供氧充足。长时间润湿表面与短时间干燥表面的交替作用和浪花冲刷、漂浮物的撞击，海洋微生物的侵蚀等，造成物理与电化学为主的腐蚀破坏，且破坏最大。

    浪花飞溅区及潮汐区钢结构采用涂层防腐蚀。另外，因该区域是实施防腐保护最困难的区域，需增加腐蚀裕量——海水全浸区：

    平台在飞溅区以下泥土中以上部分。 钢质平台在全浸区的腐蚀主要是受溶解氧的影响，形成电化学腐蚀。浅海腐蚀可能比海洋大气中更迅速，深海区的氧含量往往比表层低得多，水温近于O?C，腐蚀较轻。

    ——海底泥土区：

    平台完全插入海底泥土中部分。存在硫酸盐和还原菌等细菌，海底沉积物的来源及特征不一。这个区域平台受海水影响少，且温度低，腐蚀程度小，只是在海流作用交界处有一定腐蚀。

    全浸区和泥浆区的钢结构一般采用阴极保护措施防止腐蚀。

    3、防腐施工设计的主要内容

 

    涂装工艺

 

    ——导管架涂装程序

    ——上部组块涂装程序

    ——涂装工艺方案

 

    阴极保护工艺

 

    ——导管架阳极制造程序

    ——阳极施工工艺

    ——导管架阳极分布图

 

     4、防腐工艺设计依据

 

    （1）项目基础设计文件如平台所在海域的自然气候条件，基体材料性质，涂装范围，涂装面和非涂装面的划分等

    （2）平台设计使用寿命涂层设计耐久年限，维修维护的要求等；

    （3）结构所处的服务环境设备管线的工艺介质、温度、流速等工艺操作条件和使用环境；

    （4）适用的国际或国家标准主要有：ISO-12944，NACE SP0108-2008，NACE RP0176-2003，NORSOK M501-2004等；

    （5）、国家或地区安全环保法令法规文件；

    （6）业主涂装规格书和涂料厂家提供的涂料产品技术数据手册

 

    二、涂装工艺

    1、涂装设计的基本要求

 

    （1）、确定和选择性价比最佳的涂料产品和配套体系。

    （2）、编写并评审详细的涂装作业指导书

    （3）、明确涂装人员、技术指导、施工监督人员的职责和工作范围

    （4）、提出与涂装相关人员的资格要求。

 

    2、涂料与涂层的技术要求

 

    （1）、涂料与涂层

 

     ——具有流动性、扩散性、能成膜的具有一定附着力的有机或无机液体状物质称为涂料，将涂料涂敷在物体表面，干燥后形成涂膜，叫涂层，一般干膜厚度在1000μm以下。

    （2）、涂料特性：

    ——一定程度的防水、防湿气、耐冲击、耐摩擦、附着性能、一定的耐化学性、一定的保护作用、装饰作用。平台防腐涂装施工一般需要较附着的工艺和特涂设备。

    （3）、重防腐涂料：

    ——是指能够应用于苛刻腐蚀环境下长效防护的一类高性能防腐蚀涂料。按照国际标准，防腐寿命大于15年的涂层系统使用于海洋石油平台。

    （4）、涂料种类：

    ——底漆：

    平台结构用的底漆可为富锌底漆、磷化底漆或高性能防锈底漆。

    富锌底漆要求是含高比例锌粉的涂料，同时要求与基材附着力强。

    富锌底漆作用之一是防护，另外当涂层中有破坏或不连续时，锌粉可以起牺牲阳极作用而保护基材。

    富锌底漆一般采用无机富锌底漆、环氧富锌底漆等。

 

    ——中间漆：

    中间漆要求综合防腐能力强。

    中间漆的特点是含高效的防锈材料或防渗透材料，如颗粒状或鳞片状锌粉、玻璃鳞片、不锈钢鳞片、纳米级的钛粉等为主的屏蔽型和阴极保护型涂料及各种新型缓蚀型涂料等等。

 

    ——面漆：

    面漆的作用是为底漆和中间漆提供一个保护层，减缓和限制水气、氧及化学活性离子的渗入。还要求有抗冲击性、抗老化性和抗溶性等。

 

    大气区平台结构或设备用的面漆可为环氧树脂、氯化橡胶、乙烯树脂、聚氯酯或丙烯酸树脂涂料；飞溅区或全浸区结构用的面漆可为氯化橡胶、环氧树脂或环氧沥青涂料。

    3、涂装系统

 

    （1）、重防腐涂装系统：

    ——是指能应用于苛刻环境下长效防腐的一类高性能防腐蚀涂装系统。

    （2）、海洋石油平台重防腐涂装系统的选择原则：

    ——经济性：经济适用且总体经济效果优越——施工性：施工性能好，配套性能好，工艺不复杂且能满足要求。

    ——耐腐蚀性和耐化学性：满足防腐寿命15年的要求。

    ——物理性能：耐气候性好、耐水性好、耐老化，在水中能防污，     火灾危险区防火，在罐内耐油、耐温、耐压、耐酸碱盐等——抗冰性：在北方海区能抗冰的冲击和磨损，——抗剥离性：飞溅区和海水区涂装系统满足国际标准——美观性：具有光滑明亮的海上安全色——环保性：涂料不含铅。

    （3）、涂层与牺牲阳极联合防腐系统在导管架的防腐方面，最低潮汐以下和泥土中的钢结构、桩用牺牲阳极防腐，最低潮汐以下的飞溅区用涂层防腐，涂层必须具备抗剥离性，与牺牲阳极配套。在渤海海区，飞溅区用玻璃鳞片环氧型的耐磨涂料（抗冰涂料）750~1000可防腐15年。

 

    （4）、涂装体系设计：

    ——是根据不同材质所处的腐蚀环境确定腐蚀类型和腐蚀等级；

    ——根据要求的防腐寿命确定防腐蚀的级别；

    ——按照相应的技术要求和产品资料确定所选用的涂装体系及其产品；

 

    涂装体系的基本要素：

    ——金属结构名称、材质

    ——所在的服务区域

    ——操作服务温度

    ——保温与否

    ——表面处理的要求

    ——涂料体系（涂料类型、涂装道数、涂层厚度等）

 

    4、涂装表面处理

 

    （1）、概述黑色金属、有色金属，在其表面进行防腐涂装之前，都必须对其表面进行预处理，清除表面的水分、油污、尘垢、外来杂质、铁锈和氧化皮，以确保界面黏结，这个过程至关重要。

 

    结论：表面清理的质量是影响涂层质量的主要因素。

    （2）、金属表面特性

 

    ——清洁度

    钢铁表面经常有一层铁锈或氧化皮，且常被油污、焊接附着物、可溶性盐、水等污染，影响涂衬粘结。

    ——孔隙度

    基体表面存在通底或不通底的细孔。粘结剂可以通过毛细孔作用深入到孔内，起到镶嵌作用。

    ——粗糙度

    粗糙度反映了固体表面的粗糙程度，适当地将表面粗化，可提高粘结强度，但过分粗化反而会降低粘结强度。

    （3）、铁锈的生成与危害

 

    钢铁在大气中的腐蚀，一般是一个电化学过程，最终腐蚀产物是铁锈，主要成分是氧化铁，分子式为Fe2O3-H2O, 此外，铁锈还含有大气污染物与钢铁反应的多种生成物，如FeSO4.

    在高温轧制或热加工过程中，钢铁表面会生成一层氧化膜，称为黑锈或轧制氧化皮，相对于一般铁锈而言，它灰黑发亮而结实完整的表面对钢铁表面有一定的保护作用。

    但是，轧制氧化皮有许多肉眼无法察觉的的缝隙，这些缝隙将成为腐蚀源。因此，轧制氧化皮看起来灰黑完整，但在涂装前应彻底清除。

    （4）、表面除锈的方法

 

    ——按除锈顺序：一次除锈，二次除锈

    ——按工艺阶段：车间除锈，整体除锈

    ——按除锈方式：喷射除锈，动力工具除锈，酸洗除锈等

 

    喷射除锈是一种除锈最彻底、效率最高且能实现自动流水线作业的先进除锈方法。喷射除锈常用的有抛丸、喷丸、喷砂和真空喷射等方法。

    （5）、钢材表面除锈验收准则

 

    为了判别锈蚀程度与质量等级，一般将钢材的各种表面状态和除锈质量等级用彩色照片清楚地对照说明。

    表面处理标准《钢材表面锈蚀等级和除锈等级》ISO 8501在国际上应用较多，还有瑞典标准SIS055900，国家标准GB8923-88等。

    1）钢材的锈蚀等级

 

     分为A,B,C,D四级。规范用照片表示锈蚀等级，按锈蚀程度不同依次排列。A较轻，D锈蚀最为严重。

 

    2）钢材表面的除锈等级

 

    也即清洁度，根据ISO 8501 《钢材表面锈蚀等级和除锈等级》，“Sa-”（即喷射除锈法），它分为四个等级。

 

 

    （6）、海洋钢结构涂装碳钢表面处理一般要求：

    ——清洁度不低于ISO8501-1 Sa2.5级（对于设备内涂层、飞溅区和全浸区的表面其清洁度的要求Sa3级），——粗糙度为ISO8503 G（50μm-85μm），不锈钢表面用非金属磨料扫砂获得清洁粗糙的表面，粗糙度大约在25μm -45μm；——表面盐份的含量不超过20-50mg/m2NaCl；——表面尘埃清洁级别在ISO8502-3的2级以上。

    5、海洋石油平台涂装体系

 

    （1）、 A组涂装系统

 

    1）普通碳钢结构：

    区域：在海平面以上，除防滑工作甲板、热浸锌、电镀部分之外的所有钢结构表面（环境温度≤93C）

 

    ——该区域典型的涂装体系为：

    环氧富锌底漆（50-75μm）环氧云铁中间漆（125-175μm）聚氨酯面漆（50-75μm），涂层总厚度200-300μm；（-50℃—120℃）

 

    2）防滑工作甲板：

    甲板行走区域、逃生通道区域和装卸甲板区域须满足耐磨防滑抗冲击的要求

 

    甲板漆的涂装：一般通过添加防滑骨料获得防滑效果富锌底漆具有更好的阴极保护功能，环氧富锌底漆具有更加良好的施工性能其典型的涂装体系为：

    富锌底漆（50-75μm）高固体份环氧中间漆（200-300μm）环氧甲板防滑面漆（200-300μm）涂层总厚度450-675μm；

 

    3）海洋飞溅区：

    由于该区域常年处于干湿交替的状态，又经受海浪的冲刷和海生物的腐蚀，所以该区域为腐蚀最严重的区域。

    由于富锌底漆的电化学导电性，在飞溅区涂层体系中不应用它作底漆其典型的涂装体系为：

    环氧玻璃鳞片底漆（450-550）环氧玻璃鳞片面漆（450-550）涂层总厚度900-1100μm；

 

    （2）、 B组涂装系统

 

    区域：所有的工艺管线、容器、管汇、泵和其他设备的钢、不锈钢、铝的外表面。

    1）不锈钢结构：——海洋平台上所有不锈钢储罐、管线、阀门、仪表控制盘、仪表空气管线等不锈钢的表面涂装不允许带有其它杂质金属元素的涂料和含氯涂料，所以不能使用富锌涂料作为防护底漆，也不能使用氯化橡胶和氯化聚乙烯之类的涂料，而采用环氧涂料进行防腐处理。

    其典型的涂装体系为：

    环氧底漆（150-200μm）

    聚氨酯面漆（50-75μm）

    涂层总厚度300-400μm；（-50℃—120℃）

 

    2）高温区域——保温或不保温碳钢结构，操作温度（150℃—450℃）的工艺管线、容器、管汇等：

    在高温环境中涂料受热应力的影响很大，如果是骤冷骤热则更有可能导致涂层的脱落。对于200℃以上的高温环境，应尽可能采用无机富锌涂料作底漆，它比一般的耐高温铝粉涂料具有更佳的底材附着力，在配合合适的高温面漆的情况下，无机富锌体系最高耐受温度可达540℃。

    其典型的涂装体系为：

    无机富锌底漆（50-75）

    硅树酯中间漆（25-50）

    硅树酯面漆（25-50）

    涂层总厚度100-175μm；

 

    A,B两组涂装系统均应符合以下三点要求：

    ——一种涂层与上一层涂层颜色上要有差异

    ——所有面漆均应为国际橙色和黄色。

    ——所有干燥、固化、敷涂时间应遵守规格书要求。

 

    （3）、C组涂装系统区域：图纸中注明的所有完全沉没水下的钢结构和设备（全浸区）这个区域一般采用阴极保护外加防腐涂层的方法，如：

    高固体份环氧底漆（150-200）

    高固体份环氧面漆（150-200），

    涂层总厚度300-400μm；

    该区域涂料必须通过耐阴极剥离试验合格。

    C组涂装系统均应符合以下要求：

    ——一种涂层与上一层涂层颜色上要有差异

    ——所有面漆均应为浅灰色。

    ——所有干燥、固化、敷涂时间应遵守规格书要求。

    ——所有沉没水下的关系和设备需按以上说明涂装。

 

    6、 涂装施工

 

    （1）、涂装准备：

    1） 涂装前应检查所用涂料品种、型号、规格、贮存期限是否符合施工技术条件的规定；

    2） 使用多组分涂料时，各组分的配比应符合产品使用说明书的规定；混合后的涂料规定有一定的熟化时间；配制好的涂料应在规定时间内用完。

    3）准备程序开桶——搅拌——配比——熟化——稀释——过滤

 

    （2）、涂装方法

 

    1）人工刷涂：

    ——简单实用，可涂刷各种形状的构件，但劳动强度大，效率低。

    2）空气喷涂法：

    ——优点：漆膜均匀、光滑平整、施工效率高。

    ——缺点：漆料和稀释剂损耗大，漆雾飞散多，涂料的利用率一般只有75％；漆膜较薄，需喷涂多次才能达到一定厚度；喷涂时产生的漆雾，飞散在空气中对人体有害。

    ——空气喷涂法适用性也较强，大部份涂料都可以采用喷涂；对小件物品，考虑到漆料的浪费，所以不宜采用此方法。

    （3）、涂装施工要点：

    1）、基本要求：

    ——喷漆作业时，构件表面必须清洁，油漆混合均匀。对于干燥而其灰尘的地面，必须浇水保持湿度均匀。

    2）、 喷漆时的环境要求

 

    ——6h内无雨、无雾、无大风

    ——相对湿度小于85%

    ——环境温度大于5C

    ——表面温度小于50C3）

 

    涂装间隔时间：

    ——底漆应在表面处理之后尽快涂装。各道涂层的涂装间隔时间应符合产品使用说明书的要求，以便既确保每道涂层有足够的固化、干燥时间，同时又保证层次间具有良好的附着力。

    4）漆膜的干燥

 

    ——涂料施工后的干燥过程，即成膜过程。涂料成膜后才具有防护性能，成膜过程质量的好坏，直接影响涂层的防护效果和寿命。

    ——防腐涂装施工通常采用在常温自然大气状态（温度8 摄氏度以上）的自然干燥方法。

    ——漆膜在干燥过程中，应保持周围环境清洁，防止灰尘、雨水、雪等污染。

    5）漆膜厚度控制

 

    ——施工时应经常用干、湿漆膜测厚仪测定漆膜厚度，以保证干膜厚度和各涂层的均匀。

    ——对于边、角、焊缝、切痕等部位，在喷涂之前应先涂刷一道，然后进行大面积的涂装，以保证凸出部位的漆膜厚度。

    6）修补涂装

 

    ——修补漆时，所使用的涂料品种、涂层层次与厚度、涂层颜色应与原设计要求一致；

    ——表面处理可采用手工机械除锈方法，但要注意油脂及灰尘的污染。在修补部位与不修补部位的边缘处，要有过渡段，以保证搭接处的平整和附着牢固。对补涂部位的要求也应与上述相同。

    7、涂层防腐工艺对环境和安全的影响

 

    （1）、燃烧与防火

    ——施工人员严格遵守操作规程，严防明火。

 

    （2）、爆炸与防暴

     ——保持施工环境的通风换气，油漆放置必须远离电源。

 

    （3）、毒害与防毒

    ——严格控制挥发性有机溶剂蒸汽在空气中的浓度，施工人员必须穿工作服，戴眼镜、手套。

    三、镀层工艺

 

    1、防腐镀层

 

    在海洋结构物中，还有一种常用的防腐蚀方法是镀层防腐技术。这些用于延长钢铁基体使用寿命的耐蚀性镀层可以是纯金属镀层、合金镀层，也可以是金属基复合镀层，每一种镀层都以其特有的方式保护基体金属免遭腐蚀。

   尽管耐蚀性镀层多种多样，但是，从其作用机理上看，依据镀层金属在腐蚀性环境中与基体金属之间的电化学关系，可以将其简单地分为两大类——阴极性镀层和阳极性镀层。

 

    （1）、阴极性镀层：

    对于钢铁基体金属而言，阴极性镀层（如铜、锡、镍镀层等）是以形成机械保护膜的方式将腐蚀性环境与基体金属隔开，从而保护钢铁基体免遭腐蚀。

    但是，如果阴极性镀层本身存在缺陷（如孔隙、裂纹、磨损等），其保护作用就会显着降低，甚至还有加速基体金属腐蚀的可能性。因此，镀层的完整性及其在腐蚀性介质中的稳定性是决定其耐蚀性高低的关键因素。

    （2）、阳极性镀层：

    对于钢铁基体金属而言，阳极性镀层（如锌、镉镀层等）是以机械保护或以牺牲自己保护基体（自身优先腐蚀）的双重保护方式防止基体金属发生腐蚀。

    当镀层无缺陷时，镀层对基体起机械保护作用；当镀层有破损时，阳极性镀层则代替基体金属优先发生阳极溶解、从而阻止或减缓基体金属腐蚀的速率。因此，阳极性镀层在腐蚀介质中的电化学特性、腐蚀产物的稳定性、致密性是决定其耐蚀性好坏的重要因素。

    与阴极性镀层不同，阳极性镀层具有双重保护基体金属免遭腐蚀的能力。正因为如此，人们总是希望选用阳极性镀层作为钢铁材料的保护层。对于钢铁材料而言，最常用的阳极性镀层是锌镀层和镉镀层。

    1）锌镀层

 

    早在20世纪20年代，人们就开始使用氰化镀锌工艺或酸性镀锌工艺进行工业化镀锌生产。由于镀锌层本身是阳极性镀层、经过钝化处理的镀锌层具有更好的耐蚀性、镀锌生产成本低廉等一系列优点，直到如今，钢铁镀锌仍然是最常用的防止黑色金属发生腐蚀的方法之一。

 

    2）隔镀层

 

    在中性的大气腐蚀环境中，虽然镀锌层对钢铁基体有较好的防腐蚀性能，但是在更为苛刻的腐蚀性环境中（如海洋性大气环境等）服役的装备，人们倾向于选用具有更好耐蚀性的镉镀层作为钢铁基体的防腐蚀镀层。

    镀镉层只能用在锌镀层不能满足耐蚀要求、且不与人体或食物相接触的场合（镉与镉的化合物都是剧毒物质）。

    镉及其化合物昂贵的价格也是镀镉工艺的应用范围受到限制的重要原因之一。

    3）锌基合金镀层

 

    为了研制出耐蚀性比锌高，毒性比镉小的无毒或低毒代锌、代镉镀层，自20世纪80年代起，以锌作为主要组成元素的锌基合金电镀工艺及其耐蚀性的研究方兴未艾。

    结果表明，作为阳极性防腐镀层，锌基合金镀层有可能成为最有希望的代锌、代镉镀层，其中，锌－铁合金、锌－钴合金、锌－镍合金镀层是研究最多的三类锌基合金镀层。

    2、镀覆方法：

    ① 结构或设备表面的镀覆可采用电镀、热浸镀、热喷镀等方法。

    ②镀前表面处理、镀覆中和镀后处理应符合有关工艺技术条件的规定。

    ③镀层质量应符合CCS的标准检验。

    ④接触海水、水泥浆、钻井泥浆等侵蚀性介质的平台结构或设备表面，一般不宜采用锌镀层保护。如采用锌镀层保护，则在镀层表面应涂装专门的底漆和面漆。

    四、阴极保护施工

    1、概述

 

    海洋平台飞溅区以上使用涂装或镀层保护，是非常有效的保护方法。

    但对飞溅区以下，特别是全浸区的保护，就不那么安全可靠。如漆膜破损，会引起局部严重腐蚀和腐蚀疲劳。

    因此，全浸区一般不单独使用涂料涂层保护。实践证明，涂装加阴极电化学保护，才是完美的保护方法。

 

    六十年代初，我国开始研究阴极保护方法，六十年代末期在船舶，闸门等钢铁构筑物上得到应用。

    我国埋地油气管道的阴极保护始于1958年，六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用，目前，全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统，收到明显的效果。

 

    ——海洋钢结构在海水中发生的腐蚀是电化学反应。当电化学腐蚀发生时，金属表面存在隔离的阴极与阳极，有微小的电流存在于两极之间，形成原电池。

    ——在海水中钢结构由于成分不均一，在金属表面形成了局部的阴极区和阳极区，形成无数微小的原电池。阳极不断溶解遭到腐蚀。

    ——原电池三要素：

    1）电极电位不同的两电极；

    2）两电极必须在同一电解质溶液里；

    3）两电极间必须有导线连接。

 

    （1）、阴极保护原理

 

    1）、腐蚀电位或自然电位：

    ——每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位（自然电位）。

    ——腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子。

    我们称：失去电子的部位为阳极区。

    得到电子的部位为阴极区。

    ——阳极区由于失去电子（如，铁原子失去电子而变成铁离子溶入海水）受到腐蚀，阴极区得到电子受到保护。

    2）参比电极

 

    ——为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。参比电极是一种在类似于测量条件下恒定的电极，用来测量其它电极的相对电位。

 

    饱和硫酸铜参比电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，在阴极保护领域中得到广泛采用。

    阴极保护的原理：是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。

    有两种办法可以实现这一目的：

    ——牺牲阳极阴极保护——外加电流阴极保护

 

    （2）、牺牲阳极保护法

 

    ——根据金属电化学腐蚀原理，将电位更负的活泼金属Al、Zn 等合金固定于钢质结构物上，两者以海水为介质，构成了一对阴、阳极，依据金属电化学原理将腐蚀掉Al、Zn 合金金属，达到保护钢质结构物的目的。

 

    应用：保护小型平台、小型储罐、海管等。

    ——优点是：

    （1）保护系统不需外加电源，

    （2）不需特殊照管；

    （3）不易产少杂散电梳。

    ——缺点是：

    （1）功率小；

    （2）阳极有效作用半径小；

    （3）所得到的电能成本高；

    （4）电流输出量受工作表面积大小的限制；

    （5）导线电阻和介质电阻对电流输出量影响大；

    （6）牺性阳极的体积和重量均较大。

    （3）外加电流保护法：

    将要保护的钢铁设备作为阴极，另外用不溶性电极作为辅助阳极，两者都放在电解质溶液里，接上外加直流电源。

    通电后，大量电子被强制流向被保护的钢铁设备，使钢铁表面产生负电荷（电子）的积累，只要外加足够强的电压，金属腐蚀而产生的原电池电流就不能被输送，因而防止了钢铁的腐蚀。

 

    应用：保护大型平台、大型储油罐。

    优点是：

    （1）电流电压可调性好，可随外界条件变化实现自动控制；

    （2）输出功率大，可满足金属结构需要大功率保护的要求；

    （3）根据保护的需要，可随时进行工作或停止工作

    （4）辅助阳极保护半径大，数量少；

    （5）重量较小。保护系统初始投资大，安装较复杂，

 

    缺点是

 

    （1）日常维护管理费用大；

    （2）阳极电缆和支架要严格绝缘；

    （3）设备发生故障，保护系统即停止工作

    （4）易于引起杂散电流。

 

    总结分析：

    一般小型平台，采用牺牲阳极保护比较经济，而大型导管架平台，采用外加电流阴极保护比较合理。

    近来研究和试验表明，采用两种方法联合保护，已取得良好效果。特别是在结构复杂、管节点处受遮蔽的地方得不到充分保护时，在外加电流系统中加装牺牲阳极是个好办法。

    一般情况下，阴极保护的费用只占被保护金属结构物造价的1%~3%，而结构物的使用寿命可以成倍甚至几十倍地延长。

    由于阴极保护具有设备简单、施工方便、保护时间长等优点，近年来得到迅速的发展和广泛的应用，是一项投资少、效果好、经济效益显着的适用技术。

    2、阴极保护参数

 

    （1）、腐蚀电位或自然电位

 

    ——每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位（自然电位）。

    （2）、保护电位

 

    ——最小保护电位：钢铁获得完全保护时的绝对值最小的值。

    ——最大保护电位：将电位控制在比析氢电位稍高的电位值，此电位称为最大保护电位。（在阴极保护条件下，允许绝对值最大的负电位值）——所谓析氢电位是指在阴极保护中，当阴极电位被极化负到一定程度时，溶液中的氢离子在阴极夺取电子而成为氢分子析出，这时的电位称为析氢电位。析氢会使涂层起泡脱落，也可能使钢材产生氢脆，所以阴极保护电位不能越过析氢电位。

    ——超过最大保护电位时称为“过保护”。

    （3）极化电位：

    ——在断掉被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.2—0.5秒中之内读取的结构对地电位。

 

    （4）、最小保护电流密度

 

    ——使被保护的结构表面电位达到最小保护电位时，所需的保护电流密度值。

    ——保护电流密度的大小，取决于环境，如海水的盐度、氢溶解量、海流速度、金属表面状态、是否有涂层、阳极的分布、阴极沉积物等情况，都明显地影响保护电流密度。

    ——下表是参考值挪威船级社给出的用于保护电流密度选择的参考值表中给出了一些主要海区和特殊环境下三类最小设计保护电流密度值。初始电流密度值是用于确定新阳极所需的电流输出量，最后的电流密度值，是用来确定当阳极被消耗到利用系数时，所必须的电流输出量。平均电流密度，用来确定阳极的数量。

 

    3、阴极保护准则

 

    ——通电情况下，海水中的钢结构最小保护电位为-0.85~-0.95V

    ——最大保护电位不得低于-1.1V。

    ——极化电位与自然电位差不得小于100MV

 

    4、阴极保护设计

 

    ①计算和决定阴极保护系统所需的保护电流、保护电位和所需功率

    ②外加电流保护系统中供电系统设计。

    ③设计阴极保护系统各零部件及安装的结构。

    ④牺牲阳极保护中阳极材料选择，尺寸。数量的计算，并决定在结构中的布置

    ⑤拟定阴极保护系统的使用管理办法。

    5、阴极保护材料

 

    （1） 牺牲阳极材料

 

    1）对牺牲阳极材料的要求：

    ——导电性能好，电流发生量大，在海水中自蚀最小，消耗速度慢，使用寿命长

    ——具有良好的机械性能和加工性能；

    ——重量轻，体积小，安装方便；

    ——材料来源丰富，价格便宜。

    2）牺牲阳极的种类

 

    牺牲阳极最常用的有镁合金、锌和锌合金以及铝合金。

 

    由表可知，镁阳极发生电流量大，重量轻，电位低，但电流效率低（自蚀量大），因而消耗量也大，寿命短，使用中的海洋平台无法更换，所以平台上基本不用，主要使用锌和铝的合金阳极。

    ——锌合金与铝合金阳极相比较，锌合金阳极重量大，成本高；铝合金的电流发生量大约是锌合金的3.6倍，价格便宜，资源丰富。

    ——铝阳极适用于保护船舶和海洋结构物，而锌阳极则主要用于保护舰船、海管等结构物。

 

    3）牺牲阳极几何形状、尺寸

 

    ——影响牺牲阳极几何形状和尺寸选择的因素很多，如结构的外形、需要保护面积的大小、介质的电阻率、安装难易、使用是否可靠、阳极发生电流量、使用年限等。

    —— 海上导管架常用的为圆形、方形或梯形截面条状阳极，一般根据长度与重量比、表面积与重量比，选用不同大小的形状。每块质量通常在50~200kg。

    （2） 、外加电流阴极保护阳极材料

 

    辅助阳极——与强制外加电流的正极相连，仅限于导电为目的电极。

    1）对辅助阳极材料的要求

 

    ——导电性能好、载流密度高

    ——有良好的化学和电化学稳定性，消耗率低，寿命长；

    ——机械性能好，便于加工制造和运输安装

    ——价格便宜，综合费用低

 

    2）辅助阳极材料的种类

 

    ——铅银合金、铅银铂符合材料、高硅铸铁和镀铂钛。

 

    3）辅助阳极的形状与几何尺寸

 

    阳极外形要与阳极布置形式相配合，以适应结构保护的需要，使结构各部分能得到均勺而高效的保护。平台常用阳极的形状，多数为棒状和板状：其形状与安装方法有很大关系。

 

 

    ——阳极尺寸的大小，应使其具有足够的表面积，一般外加电流辅助阳极数量比牺牲阳极少，但输出电流量比牺牲阳极大，电流分布效率低，一般为0.67~0.80之间。这些辅助阳极，可设计为每个阳极输出30~200A电流（典型牺牲阳极每块发生电流，通常为3~6A）。

 

    6、阴极保护施工

    （1）、牺牲阳极的布置和安装

 

    1）阳极与平台之间要有可靠的导电连接，规定安装距离，在总体上做到均衡布置，以便达到所要求的保护电位；

    2）阳极、阳极铁心和其支架应具有足够的连接强度，以承受波浪、潮流、打桩就位时的施工载荷，

    3）阳极体表面严禁沾染油污、涂装油漆。

    4）阳极可采用焊接法或螺栓固定法安装，其中常用的安装方式：

    挂板固定法、挂钩固定法、角钢固定法、螺栓固定法

 

    ——为了重点保护结构节点，防止点蚀和焊缝热影响区的腐蚀，阳极应距节点近些。

    ——了改善电流分布，每个阳极都应安装在至少离结构表面300mm的地方。若阳极紧靠构件安装，阳极背面应涂上绝缘屏蔽层。

    ——若阳极直接焊在平台结构上，可在建造厂进行。对于悬挂式阳极，一般在平台海上就位后再安装。

 

    （2）、外加电流保护法设计与施工

 

    1）、外加电流阴极保护系统的组成

 

    ①输出低压直流电的电源一一自动恒电位仪

    ②用来排出阳极电流的辅助阳极；

    ③可连续测量平台保护电位的参比电极。

 

    自动控制电源——自动恒电位仪：

    ——自动控制电源是一种自动控制电流输出的低压大电流电源。输出电压12—24V，并根据外界条件的变化，经自动控制装置随时调节所需保护电流，使保护电位在最佳范围之内。

    辅助阳极：

    ——作用是从阳极排出保护电流，流经海水达到被保护的金属结构（平台）的表面。阳极排流过程也有溶解过程，所以阳极的重要特性是排流量和消耗率。消耗率是排出单位电流时，单位时间内阳极材料的消耗量。

    2）辅助阳极的布置近阳极布置法：

    通常是采用许多小阳极分散安装在结构的支撑构件上，这种布置方法的特点是：安装简单，操作方便，结构表面电流不均匀时易于调整，保护范围比较固定。但所需阳极块数量较多，电流调整工作量大，电流消耗大。

 

    远阳极布置法：

    ——是用少数的阳极，安装在离平台结构较远的位置。布置远阳极的目的是分散输出电流，使其均匀分布在整个被保护的结构表面上，从而避免了靠近阳极处的过保护现象发生。

    ——这种方法的最大优点是用少量的阳极，保护面积较大的结构，电流分布比较均匀。但电流分布不均匀时不易调整。远离平台的辅助阳极固定比较麻烦，电缆易损坏。为避免电缆损伤，通常把电缆放在套管内。

 

    7、防腐系统的检查和维护

 

    （1）、 涂层

 

    1） 大气区的涂层应在平台年度检验时进行检查，并应根据损坏程度予以局部修补、整新或全面重新涂装。

    2） 飞溅区结构如采用涂层保护时，则涂层应每年检查一次，损坏部分应尽快予以修补。

    3） 具有阴极保护的水下结构的涂层，在检查阴极保护系统的同时也应予以检查，检查结果应按规范要求将记录保存。

    4）飞溅区结构采用特种防腐系统保护时，对其保护效果至少每年要进行一次直观检查。防腐系统如有损坏，则应及时予以修复。

    （2）、 阴极保护

 

    1） 阴极保护系统投入运行之后，对阴极保护的效果应进行定期检查。测量和评价阴极保护的效果可采用下列方法：

    ①测量被保护构件的电位--被保护构件的电位应符合规范的规定；

    ②直观检查--潜水员目测、水下摄影、水下电视等所反映的平台腐蚀状况不得超出使用年限允许的范围；

    ③腐蚀挂片检查--试片腐蚀形态和速率应在平台使用年限所允许的限度之内。

    对于牺牲阳极保护的结构，应一年进行一次电位测量，对于外加电流保护的结构应一个月进行一次电位测量。直观检查和腐蚀挂片的周期可根据需要确定2） 参比电位的准确度应定期检查。测量电位时，参比电极应尽可能靠近待测的平台结构。

    3）阴极保护系统交付使用后，应对其运行的可靠性进行定期检查：

    ①对牺牲阳极保护系统，应检查阳极溶解状况、机械损伤情况等，这种检查应在平台特别检验时进行；

    ②对外加电流阴极保护系统、电源设备运行状况，如输出电流（包括各辅助阳极分路的电流）、电压、功率消耗等，至少应每一个月检查一次；辅助阳极、电缆和参比电极的工作状况，应在平台年度检验时进行检查。

 

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责任编辑：王元

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