海上钻井平台牺牲阳极阴极保护技术研究

海上钻井平台牺牲阳极阴极保护技术研究

齐佳佳 申安 王坤

中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部 中油海19平台 天津 300280

摘要：腐蚀对经济发展、人类生活和社会环境造成极大破坏，海洋污染生物也称为海洋附着生物，是生长在船底和海中一切设施表面的动物、植物和微生物。凡是船舶、海上平台、海中设施等管路、海水冷却系统、船体，桩腿等系统都要受到海洋附着生物的严重污染。面对海洋附着生物的严重危害，人们研究和采取了各种各样的防污方法。其中外加阴极保护技术发展较快，该技术已经发展成熟，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等的腐蚀控制，具有安全可靠、管理方便、防污彻底、经济效益好、对环境污染小等特点，因此在海上钻井平台得到广泛应用，工程中常用的阳极主要有镁合金阳极、锌合金阳极和铝合金阳极。

关键词：阴极保护；牺牲阳极；海上钻井平台

0前言

牺牲阳极保护（英文名称sacrificial anode）又名牺牲阳极保护法；牺牲阳极的阴极保护法,是利用原电池的原理，防止金属腐蚀的方法[1]。具体方法是将还原性强的金属作为保护极，与被保护的金属相连构成原电池，还原性强的金属将作为负极发生氧化还原反应而牺牲消耗，被保护的金属作为作为正极，免于被腐蚀。这种方法是消耗牺牲了作为阳极（原电池的负极）的金属，保护了阴极（原电池的正极）金属。因此称作牺牲阳极保护法[2]。通俗地说就是利用阳极金属的腐蚀来保护阴极金属减缓腐蚀。牺牲阳极保护技术的使用已有百余年的历史，现已广泛应用于埋地管道、石化储罐、海洋钢结构等设施的保护，我国也已出台相应的国家标准保证该技术在埋地管道、石化储罐、海洋钢结构防腐蚀过程中的实施。牺牲阳极阴极保护系统主要由均匀布置在结构物上的牺牲阳极组成，通过消耗牺牲阳极本身为结构物提供阴极保护，其优点是一次性投入，简单可靠，不需要维护，保护效果好。

1常用的牺牲阳极和适应环境

牺牲阳极阴极保护的原理是利用不同金属的电位差为受保护的金属提供电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，金属表面各点点位降低到同一负电位，使金属表面各点之间不再有电位差，不再有电子的流动，金属原子不再失去电子而变成离子溶入溶液，最终达到减缓腐蚀的目的，由于在实现阴极保护的过程中，较活泼的金属被腐蚀，所以被称为牺牲阳极阴极保护，该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛用于保护小型或处于低土壤电阻率环境下的金属结构。近海结构物可用大的牺牲阳极保护水下构件[3]。

2牺牲阳极材料

作为牺牲阳极材料，必须能满足以下要求：（1）电位足够负，但不宜太负，以免阴极区产生析氢反应；（2）阳极的极化率要小，电位极电流输出要稳定；（3）阳极材料的电容量要大；（4）必须有高的电流效率；（5）溶解均匀。容易脱落；（6）材料价格低廉，来源充分。（7）产生的腐蚀产物应是无毒无害，不污染环境，无公害之虞。

选择合适的牺牲阳极材料需要考虑以下因素：

（1）环境条件：不同的环境条件对金属的腐蚀有不同的影响，比如海水中的盐分和氧气会加速金属的腐蚀速度，因此需要选择具有更好的耐腐蚀性能的牺牲阳极材料。

（2）金属结构的材料：不同的金属结构对不同的牺牲阳极材料有不同的要求，比如不锈钢需要选择合适的牺牲阳极材料，否则容易造成不锈钢局部腐蚀。

（3）牺牲阳极的性能：不同的牺牲阳极材料具有不同的电位和耐腐蚀性能，需要根据金属结构的需求选择合适的材料。

总之，选择合适的牺牲阳极材料是金属结构防腐蚀保护的重要一环，需要根据环境条件和金属结构材料的要求选择合适的材料，以保证金属结构的长期稳定运行。

2.1牺牲镁阳极

它由纯镁和镁合金组成，当土壤或水中含盐量较低时，电流输出小，因而其自身腐蚀较大。当土壤电阻率较高时，阳极输出电流小，阳极表面容易发生钝化，进一步加大接地电阻，使阳极输出电流进一步减小，此时阳极的开路电位或在通电点处测量管道电位可能没有明显变化。温度升高时，自身腐蚀加剧，效率降低，使用环境不易超过30℃，在淡水中不易超过45℃。

2.2牺牲锌阳极

锌是我们日常生活中比较常见的一种金属，种类很多，锌牺牲阳极自腐效率小，电流效率高，使用寿命长，具有自动调节电流性的特性在元素周期表中锌的原子量是65.4，密度是7.14 g/cm3，化合价是+2，具有420摄氏度的熔点[4]。

锌是一种电位为负性的金属，它的标准电位是负的0.76V，在海水中高纯锌的稳定电位向负向游动偏移的，在PH值不同时，锌的腐蚀率也不一样，在pH小于6时和pH大于12时，锌的腐蚀率都较大；但是在6-12的pH值的范围内锌的腐蚀率比较小。

其中的杂质也会对锌的阳极腐蚀率跟阳极行为产生很大影响。杂质的存在，会形成局部的腐蚀电源，可以形成局部电池，这些电池可以使得锌的表面上形成氢氧化物，形成坚固的覆盖层防止进一步的发生溶解

[5]。这样形成覆盖层的方式可以用在阴极保护系统中。当发生电化学腐蚀时，被腐蚀的就是那种比铁更活泼的金属，而铁被保护了。通常在轮船的尾部和在船壳的水线以下部分，装上一定数量的锌块，来防止船壳等的腐蚀，就是应用的这种方法。

2.3牺牲铝阳极

铝合金阳极它的特点是容量大、寿命长、易安装、制造工艺简单，大多数是用在海水环境金属结构或原油储罐内底板的阴极保护上，不能用于氯离子含量低的土壤环境。

3牺牲阳极的安装与维护

牺牲阳极的安装比较交单，当一个位置有几支阳极时，阳极要直线排列以降低电阻，阳极可以与管道垂直，也可以与管道平行，减小阳极场的影响[6]。当阳极与管道平行时，镁阳极与管道的最小距离是5 m；锌阳极与管道的最小距离是1.5 m。

牺牲阳极阴极保护系统要经常检查阳极的输出电流，阳极消耗尽后及时更换，用在工程中的牺牲阳极每年都需要做一次检查维护工作，检查相关的各参数，点位测试，绝缘接地检查，接地故障排查，用以排查阴极保护情况，发现问题及时采取措施，检查时测量牺牲阳极的输出电流，确定电缆的连接是否完好，如果牺牲阳极尚未达到使用寿命而出现输出电流明显减少，有可能出现阳极电缆断路现象，应及时维护。

4结束语

阴极保护的应用，可以使地下或水下金属结构物获得最经济和有效的保护。良好的涂覆层可以保护构筑物99%以上的外表面不受腐蚀，地下或水下的金属结构物通常在使用前涂覆防护涂层用以将金属与电介质环境电绝缘隔离。阴极保护的费用通常只占被保护金属结构物造价的1%～5%，而结构物的使用寿命则可因此而成倍甚至几十倍地延长，因此，这项技术得到人们的普遍认可，并已在船舶、港工设施、海洋工程、石化、电力、市政等领域得到越来越广泛的应用，前景十分广阔。

参考文献：

[1] 韩汉清.阴极保护中阳极材料发展最近动态及趋势[J].全面腐蚀控制.2013年第1期.

[2] 冯弘臣.阳极保护安装与维护[M].北京：经济日报出版社.2010.

[3] 钱思成，张有慧，张国庆，等.导管架阴极保护及监测系统设计[J].中国造船，2009，50（S）：770-776.

[4] 李妍. 深水导管架的阴极保护[J].全面腐蚀控制，2004，18（4）：18-20.

[5] 李妍，刘忠斌.海洋平台的阴极保护[J].中国造船，2002，43（S）：162-164.

[6] 刘学庆，张经磊，侯保荣.海洋工程用铝基牺牲阳极发展概况[J].海洋科学，2000，24（8）：38-41