深海工程裝備陰極保護技術進展

邢少華，李焰，馬力，閆永貴，李相波，孫明先，許立坤

（1.中國石油大學（華東），山東 青島 266580；2.海洋腐蝕與防護國防科技重點實驗室，山東 青島，266010）

綜 述

深海工程裝備陰極保護技術進展

邢少華1，2，李焰1，馬力2，閆永貴2，李相波2，孫明先2，許立坤2

（1.中國石油大學（華東），山東 青島 266580；2.海洋腐蝕與防護國防科技重點實驗室，山東 青島，266010）

綜述了深海工程裝備陰極保護參數、犧牲陽極材料以及陰極保護技術研究及應用現狀，分析了深海壓力、溶解氧、溫度、流速等環境因素對陰極保護電位、電流密度判據，犧牲陽極性能影響，認為溫度和流速是影響陰極保護電流密度的兩個關鍵因素，而溫度和壓力交變是影響犧牲陽極性能的兩個主要因素。最后討論了深海工程裝備陰極保護技術發展方向。

陰極保護；深海腐蝕；工程裝備

從20世紀80年代，隨著深海油氣資源開發技術的逐漸成熟，大量深海石油平臺、管道和FPSO等海洋工程裝備投入使用。深海腐蝕環境特征與表層海水顯著不同[1]，服役深海環境的工程裝備結構安全以及腐蝕控制技術受到了格外的重視[2—5]。

陰極保護技術是海洋工程裝備最常用、最有效的腐蝕防護技術，該技術可單獨用于海洋工程裝備的腐蝕防護，也可與涂層配套應用，不僅可以防止均勻腐蝕，也可有效防止孔蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、電偶腐蝕等。針對深海環境腐蝕新特征與腐蝕防護新挑戰，國內外在深海陰極保護設計、犧牲陽極材料、陰極保護應用技術研究等方面開展了卓有成效的研究。

1 深海陰極保護參數

陰極保護效果與陰極保護設計參數直接相關，包括保護電位、電流密度、陽極材料與數量等，其中保護電位和電流密度是兩個最重要的陰極保護設計參量[6]。陰極保護電位范圍由材料特性決定，而陰極保護電流密度選取由保護電位范圍控制，二者間的函數關系與材料特性（極化特性、表面狀態）、環境參數（溫度、溶解氧、流速、鹽度）等有關。

1.1 深海條件陰極保護電位判據

為保證深海工程裝備結構強度，普遍采用高強度合金制造，材料強度越高，氫脆敏感性也越高。陰極保護過程中，高強鋼表面發生吸氧或析氫反應，或二者同時發生。陰極保護電位越負，越容易發生析氫反應，材料發生氫脆斷裂的風險越高。因此，對高強鋼陰極保護電位范圍應進行嚴格控制。目前，國內外尚無高強鋼在深海條件下的陰極保護電位判據標準，但相關研究表明，當陰極保護電位負于一定值后，材料伸長率、斷裂時間均隨陰極保護電位負移而減小[7]。對于屈服強度為500～900 MPa的高強鋼，最佳保護電位范圍為-0.790～-0.870 V（vs Ag/AgCl/海水，下同）[7—8]。對于強度超過900 MPa的高強鋼，最佳保護電位范圍為-0.79～-0.81 V[9]。不同材料最佳陰極保護范圍為：鋼-0.8～-1.00 V，銅-0.45～-0.60 V，鋁-0.9～-1.15 V，高強鋼（500～900 MPa）-0.79～-0.89 V，高強鋼（＞900 MPa）-0.79～-0.81 V。

1.2 深海條件陰極保護電流密度

1）壓力對陰極保護電流密度影響。陰極保護過程中，氧還原反應產生OH-，OH-與海水中的Mg2+，HCO3-，Ca2+反應，生成保護性的CaCO3，Mg（OH）2等沉積物附著在被保護結構表面，可減小陰極保護電流密度。壓力越大，碳酸鈣溶解度越大（500 m深海條件下碳酸鈣溶解度為表層海水的5倍）[10]，越不容易在被保護對象表面形成鈣鎂沉積層。在高壓力深海條件下，沉積物主要為Mg（OH）2[11]。同時壓力越大氧氣活度越大，所需陰極保護電流密度越大。因此，陰極保護電流密度隨著壓力增加而增加。在海水流速為0，表層海水與3000 m深海條件下，鋼質材料所需陰極保護電流密度對比見表1[10]。

表1 淺表海水與深海陰極保護電流密度對比Table 1 Contrast of cathodic protection current density in stagnant shallow water and deep water

圖1 流速對陰極保護電流密度影響Fig.1 The influence of flow velocity on cathodic protection current density

2）流速對陰極保護電流密度影響。流速對陰極保護電流密度影響顯著，流速越大，氧氣擴散越快，氧氣還原速度越大，所需陰極保護電流密度也越大。由圖1可知，3000 m深海條件下，當海水流速從0 m/s增加至10 m/s，若要達到-850 mV的陰極保護電位，陰極保護電流密度需從30 mA/m2增加至250 mA/m2[10]。DNV-RP-B401推薦的不同深度不同溫度裸鋼初始、后期以及平均陰極保護電流密度見表2[12]。根據S.Chen等人在墨西哥灣開展的900 m實海陰極保護參數研究結果，施加0.1 A/m2平均保護電流密度，鋼試樣表面電位約為-0.9～-1.0 V[11]，容易造成高強鋼發生氫脆斷裂。深海裝備陰極保護工程公司采用21.5 mA/m2電流密度標準設計鋼質結構陰極保護系統，遠小于表2建議的陰極保護電流密度。

表2 DNV推薦的不同深度、不同溫度裸鋼陰極保護電流密度Table 2 Recommended cathodic protection current densities for seawater-exposed bare metal surfaces at different depth and temperature by DNV A/m2

綜上，陰極保護電流密度受海水壓力、流速等多因素影響，因此，在進行陰極保護設計時，要針對工程裝備服役環境特點，確定陰極保護設計參數，切不可以盲目照搬。

2 深海環境對犧牲陽極性能影響

1）溫度影響。溫度對犧牲陽極性能影響顯著，一方面深海海水溫度顯著低于表層海水溫度，溫度降低，犧牲陽極活性降低，開路電位和工作電位輕微正移，陽極溶解形貌變差，溶解形式由均勻溶解變為局部溶解[13]。另一方面，對于輸送高溫介質的管道，犧牲陽極工作在高溫條件，隨著溫度升高，常用的Al-Zn-In系犧牲陽極電容量顯著降低，如圖2所示[14]。

圖2 溫度對Al-Zn-In犧牲陽極電容量影響Fig.2 The influence of temperature on capacitance of Al-Zn-In sacrificial anode

2）壓力影響。深海壓力作用下，材料處于彈性變形狀態，根據E.M.Gutman機械電化學理論[15]，壓力增加犧牲陽極開路電位負移，腐蝕速率增加。研究表明，在海水壓力作用下，壓力加劇Al-Zn-In犧牲陽極晶間腐蝕誘發的應力腐蝕開裂，導致電流效率降低[16]。

3）溶解氧影響。與表層海水相比，深海海水溶解氧含量降低，其對Al-Zn-In系犧牲陽極主要有兩方面影響：一方面，溶解氧含量減少，Al2O3氧化膜生產速度降低，有利于陽極活性溶解；另一方面，又導致In，Zn等合金元素“溶解-再沉積”困難，造成犧牲陽極活性溶解能力下降，其中對In，Zn等合金元素“溶解-再沉積”影響程度大于對Al2O3氧化膜生產速度影響[16]。因此，溶解氧含量降低，犧牲陽極活性降低，電流效率降低。

4）壓力交變影響。壓力交變環境，犧牲陽極溶解產生的陽離子（Al3+，Zn2+）與氧氣還原產生的OH-離子反應生成的沉積物（Al（OH）3，Zn（OH）2）容易附著在陽極表面，導致陽極工作電位正移，活性降低[17]。

3 深海犧牲陽極材料研究

1）深海犧牲陽極研究。為解決深海環境犧牲陽極材料性能下降問題，美國開發了深海鋁合金犧牲陽極，陽極成分（質量分數）為：Fe≤0.07%，Zn 4.75%～5.25%，Cu≤0.005%，Si≤0.10%，In 0.015%～0.025%，Cd≤0.002%，Al余量。國內中國船舶重工集團公司第七二五研究所也開發了專用于深海環境的鋁合金犧牲陽極材料，在淺海和模擬600 m深海環境，電容量均達到2650 Ah/kg以上[18]。深海犧牲陽極工作電位約為-1.1 V，主要用于保護屈服強度不高的鋼質結構以及鋁合金等。

2）低電位犧牲陽極研究。犧牲陽極工作電位過負，易導致高強鋼氫脆斷裂，為解決陽極工作電位與高強鋼陰極保護電位范圍要求不匹配問題，開發了基于Ga活化的低電位犧牲陽極，其工作電位范圍為-0.78～-0.88 V[10，19—21]。

3）高活化犧牲陽極研究。通過添加Mg，Ga，Mn等合金元素[22]，提高Al-Zn-In犧牲陽極的活性，減少腐蝕產物在陽極表面的附著，解決壓力交變與干濕交替環境犧牲陽極結殼導致性能下降問題，主要用于深潛器、ROV、海底挖溝機等。中國船舶重工集團公司第七二五研究所研制的Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn高活化犧牲陽極已在海洋工程裝備上安裝應用，并取得了良好的效果。

4 陰極保護技術應用

深海工程裝備的陰極保護方法有犧牲陽極陰極保護法和外加電流陰極保護法。由于犧牲陽極保護系統可靠性高，無需維護管理，大部分深海工程裝備采用犧牲陽極保護法。外加電流陰極保護法主要用于犧牲陽極設計壽命到期后仍需要繼續服役的工程裝備，特別是石油平臺的后期保護[23—24]。

4.1 犧牲陽極保護法

1）石油平臺及管匯。全世界90%以上的石油平臺樁腿采用犧牲陽極保護，陽極形狀一般為長條狀，采用焊接方式安裝在樁腿上。深海環境中，犧牲陽極用于保護采油樹及管匯等。典型水下管匯主要由防沉板、結構框架、生產設備、保護架組成，陽極主要安裝在結構框架和防沉板上。

2）海底管道。海底管道特別是深海管道，主要采用涂層（3LPE/3LPP）聯合犧牲陽極技術進行防護。犧牲陽極采用鐲式Al-Zn-In-Si犧牲陽極。犧牲陽極達到設計壽命后，如管道仍需服役，需要對犧牲陽極保護系統進行更新。具體技術方案為：將一定數量的犧牲陽極固定在框架上，組成框架式陽極系統（雪橇式框架陽極、擴大式框架陽極、混凝土和框架共同固定的陽極等），然后通過水下機器人按設計間距將被保護管道與框架式陽極系統電連接。其中雪橇式框架陽極和擴大式框架陽極適用于沙地環境，混凝土和框架共同固定的鋁陽極適用于任何環境管道保護。2009年，墨西哥灣124個海洋工程裝備進行了犧牲陽極和外加電流的更換、翻新。

3）深潛器。深潛器通常采用涂層聯合犧牲陽極保護技術進行腐蝕防護。深潛器一般由耐壓結構和非耐壓結構組成，耐壓結構材料強度高，通常采用Al-Ga低驅動電位犧牲陽極進行保護；而非耐壓殼體處于壓力交變、干濕交替的服役環境，采用高活化犧牲陽極進行保護。

4.2 外加電流陰極保護法

與犧牲陽極陰極保護法相比，外加電流陰極保護法的最大優點是只需安裝較少的輔助陽極即可滿足工程裝備的防護需求，且保護度可調，但技術難度更高，且需要外加電源，不適合大深度工程裝備防腐。主要用于石油平臺和大型船舶陰極保護，此外還用于犧牲陽極消耗完采油平臺的后期防護。

由于輔助陽極發出電流量大，為避免輔助陽極附近電位過負，通常采用遠距離沉底布置輔助陽極的方式（保護對象與輔助陽極距離不小于15 m）對石油平臺進行陰極保護[25]，陽極輸出電流越大，布放距離越遠。沉底式輔助陽極結構為：輔助陽極安裝在浮體上，浮體固定在基座上，浮體產生向上的浮力，保證輔助陽極與被保護對象平行。

外加電流陰極保護技術電位精確控制難度遠大于犧牲陽極陰極保護技術。因此，選用外加電流陰極保護技術對海洋工程裝備，特別是由高強鋼制造的深海工程裝備實施陰極保護時，必須根據環境特點精確設計，并輔以陰極保護電位檢測系統測量保護電位，評估裝備氫脆失效風險。

5 展望

深海油氣資源開發力度加大，大量深海工程裝備投入使用，對海洋工程陰極保護技術的發展和應用提出了迫切需求，目前深海陰極保護技術還有如下幾方面問題亟需解決：

1）明確深海工程裝備陰極保護電位、電流密度判據，并通過陰極保護優化設計方法，精確設計陰極保護系統，優化防腐效果。

2）發展新型陰極保護材料，滿足服役于不同深海環境的工程裝備防腐需求。

3）發展智能化、便宜操作的陰極保護監檢測新技術，監測陰極保護效果，評估海洋工程裝備結構安全。

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Research Progress in Cathodic Protection Technology for Marine Infrastructures in Deep Sea Environment

XING Shao-hua1，2，LI Yan1，MA Li2，YAN Yong-gui2，LI Xiang-bo2，
SUN Ming-xian2，XU Li-kun2（1.China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection，Luoyang Ship Material Research Institute，Qingdao 266101，China）

The state-of-the-art in cathodic protection technology for marine infrastructures in deep sea was reviewed.This critical review outlined the research progress in cathodic protection parameters,sacrificial anode materials,and the application of cathodic protection technology in deep sea.Emphasis was put on the influence of environmental factors such as hydrostatic pressure，dissolved oxygen content，temperature and velocity on the cathodic protection potential,the current density criteria and the performance of sacrificial anodes.Temperature and velocity were found to be the two key factors influencing the cathodic protection current density,while the performance of sacrificial anodes was mainly influenced by temperature and the cyclic hydrostatic pressure.Finally，the trend of development of cathodic protection technology for marine infrastructures in deep sea was discussed.

cathodic protection；deep sea corrosion；marine infrastructure

2014-11-21；

2015-01-07

2014-11-21；

2015-01-07

國家自然科學基金項目（51401185）；高技術船舶項目（海洋工程腐蝕防護關鍵技術）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51401185）and High Technology of Ship（Key Technologies for Marine Structure Corrosion and Protection）

邢少華(1981—)，男，山東威海人，博士研究生，主要研究方向為海洋腐蝕與防護。

Biography：XING Shao-hua（1981—），Male，from Weihai，Shandong，Doctoral candidate,Research focus:marine corrosion and protection.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.011

TJ01；TG174.41

A

1672－9242（2015）02－0049-05