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国内外阴极保护技术的发展和进展
[四川省腐蚀与防护学会]  [手机版本]  [扫描分享]  发布时间:2020年12月31日
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来源:《腐蚀与防护之友》

文 | 颜东洲 黄海 李春燕 中国工业防腐蚀技术协会 中石油西南油气田分公司输气工艺技术研究所 潍坊亚星集团建修处

 

一、阴极保护概述

 

阴极保护技术是电化学保护技术的一种,其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流,被保护结构物成为阴极,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。


阴极保护技术分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护,目前该技术已经基本成熟,广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、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。


二、国外阴极保护的发展

 

1.起源

 

1823 年,英国学者汉·戴维(Davy)接受英国海军部对木制舰船的铜护套的腐蚀的研究,用锡、铁和锌对铜进行保护,并将采用铁和锌对铜保护的相关报告于 1824 年发表,这就是现代腐蚀科学中阴极保护的起点。


虽然戴维采用了阴极保护技术对铜进行保护,但对其工作原理却并不清晰。1834 年,电学的奠基人法拉第奠定了阴极保护的原理;1890 年爱迪生根据法拉第的原理,提出了强制电流阴极保护的思路。


1902年,K·柯恩采用爱迪生的思路,使用外加电流成功地实现了实际的阴极保护。1906 年,德国建立第一个阴极保护厂;1910 年~ 1919 年,德国人保尔和佛格尔用 10 年的时间,在柏林的材料试验站确定了阴极保护所需要的电流密度,为阴极保护的实际使用奠定了基础。


2.现代技术的发展

 

1928 年,被称为美国“电化学之父”的罗伯特·J·柯恩(Kuhn)在新奥尔良的一条长距离输气管道上安装了第一套牺牲阳极保护装置,为阴极保护的现代技术打下了基础。此后,阴极保护在美国和一些发达国家得到快速推广,并于1936 年成立了(美国)中部大陆阴极保护协会。


日本自 1953 年开始,外加电流阴极保护得到了广泛应用,或许是由于日本海湾较多而输油管道少的缘故,日本最先应用阴极保护的领域是海湾工程领域。


至 1970 年底,美国已有 64 万公里的油气管道采用了阴极保护,而原西德、原苏联等在修建管道的同时就安装了阴极保护。


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”。


阴极保护在得到广泛应用的同时,相关技术也在不断提高。1971 年,混合型金属氧化物阳极首次应用于海水中,埋在海床泥浆中发挥着阴极保护作用。1973 年,太阳能电池开始为阴极保护装置提供能源。1979 年布劳尔(Brauer)发表了使用有限元法进行阴极保护设计的第一篇论文,1982 年菲尤发表了第一篇关于边界元法在阴极保护设计上应用的文章。1983 年唐索(Danso)和沃恩(Warne)第一次采用“边界元法”这一名称对其在阴极保护设计上应用的原理进行论述,并报导了应用边界元法的现代设计方法对英国北海油田某一采油平台进行阴极保护系统设计的成功应用。1985 年在加拿大安大略省的一座桥面板的阴极保护中首次使用了混合金属氧化物钛阳极。1988 年美国加州公路局 Apostolos 首先在旧金山海湾一座跨海混凝土桥墩和桥面板上试用喷锌层阴极保护。


3.相关法规的设立

 

1971 年,美国首次立法规定,对输送危险、重要物料的地下管线在施加涂层基础上,必须实施阴极保护。第二年,也就是1972年,日本也设立了类似法规,规定油气管道及储罐必须采用阴极保护与涂层联合防腐蚀。


1988 年,美国的环保法对地下储油罐提出了相关的规定,要求所有的地下储罐限期在 1998 年 12 月底前必须施加阴极保护,否则将受到处罚。


三、国内阴极保护的发展

 

1.应用领域的发展

 

我国的阴极保护工作开始于 1958年。其直接原因是当时一条长输管道(克拉玛依-独山子输油管道)埋地 11 个月就开始穿孔漏油,最严重时每天都要穿孔几次。1961 年将原管道停产并施加了阴极保护,施加阴极保护后,该管道连续运行了 20 多年未出现漏油,1986年有关专家通过考察、分析、评估,认定此管道还可工作 20 年。


1960年以来,我国先后在新疆、大庆、四川、胜利、华北等油气田的地下输油和输气管道工程中,以及在北京、上海、天津、哈尔滨、广州、青岛、潍坊、成都、重庆等十几个大中城市新建的输气管线和输水管线等工程中,均采用了阴极保护技术,获得了明显的防腐蚀效果。


1965 年,阴极保护技术在浑河水闸上试用,1966 年在江苏的三河闸、射阳河挡潮闸和安徽裕溪口船闸闸门上进行了现场“涂料+外加电流阴极保护及牺牲阳极”的试验,取得了成功。开启了阴极保护在水利领域的应用。


1978 年,福建三明无线电二厂的KKG 型恒电位仪研制成功,并获得了全国科学大会奖。同年,中石油管道设计院与抚顺铝厂开展的镁牺牲阳极研制,陆续通过了技术鉴定,把我国的牺牲阳极研究发展到实用化程度。而原六机部725 所(现中船重工集团 725 所)开发的船用牺牲阳极的研制和船用外加电流阴极保护技术,也获得了 1978 年的全国科学大会奖。


1980 年前后,我国开始在电厂凝汽器上采用阴极保护。


1983 年,我国开始对油井采用阴极保护生产试验,取得了良好的保护效果,为套管防腐提供了一种新的解决方法,也开辟了阴极保护在油井套管中的应用。同年 10 月 6 日,由当时的国家建筑材料工业局水泥司和营口市城乡建设环境保护委员会联合主持召开了“预应力钢筋混凝土输水管道应用阴极保护评议会”,1984 年 9 月,原国家建材局主持召开了阴极保护在预应力混凝土管道上应用的部级鉴定会,推动了阴极保护在钢筋混凝土管道中的应用。


1990 年,在辽阳化纤公司开展了我国首例在石化防爆厂区的地下管网阴极保护技术应用。该方案有当时在该公司工作的高金吉院士主要负责。该次应用成功突破了国际上外加电流阴极保护技术在防爆厂区内实施区域性阴极保护的禁区,开辟了阴极保护应用的新领域。此后,深井阳极阴极保护技术在国内石化行业得到了迅速的推广和应用。


1997 年原武汉水利电力大学承接原国家电力公司下达的重点科研项目“接地网防蚀研究及应用”,其中重要的研究内容之一就是在变电站现场进行接地网防蚀工程试验,以确定接地网阴极保护的可行性,为电力系统地下网的阴极保护开辟了道路。


1998 年,郑州市天然气公司在全国率先采用对地下燃气管网采用深井阳极阴极保护技术和分段预制阳极体技术进行保护,实施后每年创造的直接经济效益 580 万元。随后,西安等城市也采用了类似技术,为地下燃气管网提供了保护。


2008 年,全球电器供应商阿里斯顿在全球推出了使用外加电流阴极保护技术的电热水器,取代了此前电热水器中一直使用的镁棒(牺牲阳极)。目前,国内的太阳能热水器巨头皇明集团等也在积极将外加电流阴极保护应用于太阳能热水器中。阴极保护已经不仅仅局限于工业领域的应用,在民用领域,同样市场空间巨大(估计在我国电热水器领域,牺牲阳极的市场达到20亿元/年)。


2.专业公司的发展

 

1972 年,三明市无线电二厂(当时为三明自来水厂热工仪表车间)与中科院物质结构研究所合作,生产了我国第一台恒电位仪—HDV-3 晶体管恒电位仪,这是我国首个外加电流阴极保护的正式产品。该厂后续生产的 KKG 型恒电位仪研制成功,成为我国长期以来使用的阴极保护产品。2007 年,该厂由国有企业改制为民营公司,企业更名为福建畅联电子有限公司。


2000 年,我国第一家专门从事阴极保护的公司上海海诺科技发展公司成立,此前在中船重工 725 所工作的武烈先生担任该公司总经理(现武烈先生已去世),重点推广深井阳极阴极保护技术。同年 5 月 28 日,塔里木油田指挥部召集有关专家、技术人员召开“塔中、桑解油田阴极保护改造施工方案评审会”,听取了海诺公司的方案论证和施工设计,确定采用深井阳极技术。此后,深井阳极阴极保护技术在郑州燃气管网等多项工程中得到应用。


2004 年,我国第一家专门从事阴极保护业务的中外合资公司中港 - 圣维可(广州)防腐工程有限公司成立,中方为中国港湾建设(集团)总公司和中港广州四航工程技术研究院,外方为芬兰圣维可集团。该公司成立以来,为很多港口工程、大型桥梁等提供了阴极保护服务。2009 年,该公司改制为纯外资企业。


2000 年以来,由于市场需求急剧增长、国有体制改革、人员流动及防腐蚀行业快速发展等原因,涌现了一批专门从事阴极保护的公司。从事阴极保护研究的科研院所,或者自己成立公司,或者人员流出成立公司,如中船重工 725所(原六机部 725 所)成立了青岛双瑞公司,中科院物构所人员创办厦门洗霸公司等,部分在中石化等大型企业中从事阴极保护工作的人员,也创立了自己的公司,如山东科特等。同时,随着北京有色金属研究院、中科院海洋所等单位的技术转让,也诞生了一批专业生产牺牲阳极的公司,其中一些公司的业绩已经颇具规模。而国内防腐蚀市场的快速发展,也吸引着外资公司逐渐进入中国,目前,一批专业从事阴极保护工程或生产辅助阳极等阴极保护用品的日本、美国公司,已经进入国内市场。


迄今为止,我国已有几十家专门从事阴极保护工程的公司,服务对象涉及石油、石化、化工、船舶、桥梁、港口等领域。


3.技术的发展

 

1965年,中科院福建物构所二部(原催化电化研究室)科技人员研制成功我国第一台 10 安培晶体管恒电位仪。此后,我国恒电位仪的研制和应用获得较快的进展,出现了专门生产恒电位仪的公司(如福建三明无线电二厂,近年来崛起的青岛雅合公司等),促进了大型油码头、采油平台、水上钢结构物等海洋设施上成功应用恒电位外加电流阴极保护。1976 年后,阴极保护技术在我国的发展步伐加快,很多设计研究院都取得了丰硕的科研成果,1978 年召开了全国电化学保护会议,总结了各单位在应用阴极保护方面的经验,极大地推动了我国阴极保护技术的进步。


1999 年,在北京召开的由中国工业防腐蚀技术协会主办的第一届中国国际腐蚀控制大会上,德国 SSS 公司演示了当时世界上最先进的阴极保护遥控系统,通过一部手提电脑和一部手机,利用电脑中的软件直接控制德国法兰克福北部一座天然气管道阴极保护站的保护参数。这项先进技术当时给中国的阴极保护工作者不小的触动。如今,我国的科技人员也已经能实现此类操作。


4.相关标准

 

1982 年,原石油部制定了阴极保护方面的技术标准;1984 年,我国制订了牺牲阳极国家标准,同年制订了外加电流阴极保护的交通部标准。这些标准的制订和实施,为牺牲阳极和外加电流阴极保护方案的进一步推广应用提供了保证。


在 1989 年颁发的《石油、天然气管道保护条例》中,明文规定:“埋地管道必须施加阴极保护”。同年 7 月 11日,我国石油天然气总公司签发了《油田阴极保护系统管理规定》,规定:“新建的外输管道必须采用阴极保护,油、水井套管、集输管网和供水管道应采用区域性阴极保护,老钢质管道和储罐在改造时应逐步采用阴极保护”。


2009 年 11 月,经第十一届全国人大常委会第十一次会议审议,通过了《中华人民共和国石油天然气管道保护法(草案)》,将我国石油天然气管道保护从部门条例上升为国家法律。在该法中,规定“管道,包括:(一)管道线路;(二)管道的阴极保护站、阴极保护测试桩、阳极地床、杂散电流排流站等防腐设施……”。


目前,国家质检总局正在积极制订相关安全技术规则,要求我国境内的埋地钢制容器和压力管道必须采用阴极保护,以保障埋地钢制容器和压力管道的安全运行。相信随着该规则的制订和实施,将进一步推动我国阴极保护技术的技术进步和发展。


四、结语

 

阴极保护技术作为一项效果好、应用领域广的防腐蚀技术,其使用效果已经得到了大家的认可。在我国,阴极保护最早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、青岛跨海大桥等跨海大桥的修建,在桥梁、港口等众多领域都得到了推广。相信随着众多领域对腐蚀控制的重视,经过我们广大防腐蚀工作者的努力,阴极保护将在我国得到更大发展,为更多构筑物、设备提供防腐蚀保护。



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