基于ICCP海洋腐蝕防護工程的應用研究

張思捷，楊植民，高鵬飛，潘 露，童 青

(中國葛洲壩集團電力有限責任公司 湖北武漢430000)

0 引 言

冶煉和腐蝕作為一對逆過程在自然環境的制約下，大多數情況并不可逆，而地球上金屬資源有限，且面臨腐蝕威脅，因此腐蝕防護顯得尤為重要。全世界每年因金屬腐蝕造成的損失占各國國民經濟總產值的 2%～5%[1]，其中海洋環境中的金屬結構腐蝕嚴重[2]。在金屬腐蝕防護方法中，ICCP在腐蝕防護效果以及環保方面優于其他方法。為了減少復雜的海洋環境對金屬構架的腐蝕破壞，工程上通常采用 ICCP對金屬構架進行保護。另外，ICCP還能通過利用外加電源幅頻可控的特性[3]，對金屬防腐技術進行更加全面深入的研究。

由于海洋環境的特殊性和復雜性，ICCP在石油平臺、碼頭、港口等海洋工程中應用的影響因素眾多。鈣質沉積層是ICCP在海洋環境中應用的標志性產物，其形成機理復雜，涉及電解質原理、溶度積規則和材料學等諸多理論領域。本文針對ICCP海洋腐蝕防護工程的應用進行了梳理分析，包括鈣質沉積層的形成機理和致密性的影響因素分析、外加電源的特征及控制調試方法總結、海洋環境中 ICCP陰陽電極工程應用的要點分析，并進行了簡要總結，對 ICCP海洋腐蝕防護工程的應用具有一定借鑒意義。

1 鈣質沉積層

1.1 ICCP海洋工程應用與鈣質沉積層的關系

鈣質沉積層主要成分是碳酸鈣，是ICCP在海洋工程中應用的最終產物，碳酸鈣的溶解度與海水深度正相關[4]。致密的鈣質沉積層使得極化電流的分布更加均勻，阻礙陰極氧擴散，從而減少陰極極化電流的雜散損失以及降低被保護金屬的電化學腐蝕速率，另外沉積層附著在鋼結構表面能有效抑制鋼中裂紋的擴大，增強了鋼的耐腐蝕性能。沉積層形成后，可以顯著減小極化電流密度(PCD，Polarization Current Density)，降低防腐蝕工程全周期的供電成本。

1.2 鈣質沉積層的形成機理分析

在陰極極化的情況下，被保護結構與海水的接觸面上會發生氧還原反應，即在電解池陽極發生的還原反應：

當極化電位正于-0.9V，還原反應由海水氧濃度和氧擴散速率控制，此時主要發生氧還原反應；當極化電位負于-1V，還原反應是以放氫反應為主。

氧還原反應和放氫反應的發生伴隨著被保護結構周圍OH-濃度的升高，而不斷增加的OH-會參與到接下來2個關鍵的離子反應中。

①與海水中的鎂離子結合生成難溶性化合物氫氧化鎂，沉積在被保護結構表面：

②大氣中的二氧化碳溶于海水生成 HCO3-，OH-的大量增加會使反應界面呈堿性，堿性條件下 CO32-轉化為 HCO3-的過程被抑制，逆反應被加強，反應如下：

當 CO32-濃度和反應界面附近 Ca2+濃度滿足溶度積要求，碳酸鈣的沉淀反應會發生，此時沉淀附著在 Mg(OH)2沉積層表面，阻礙氫氧化鎂沉淀的生成。隨著電解池陰極反應的進行，最終金屬結構表面會被兩層固體物質覆蓋，內層是氫氧化鎂，外層是碳酸鈣。

1.3 致密鈣質沉積層形成的影響因素分析

影響鈣質沉積層質量的主要因素是Mg(OH)2沉積速率和放氫反應速率。Mg(OH)2沉積速率快，鎂沉降過多，內層偏厚，易脫落；沉積速率慢，反應界面的鎂離子會抑制鈣離子沉降，導致外層沉積速度慢。放氫反應速率與界面上氫氧根離子濃度正相關，而鎂沉降的速度主要由氫氧根離子控制。由于在鈣質沉積層形成過程中，鎂沉降和放氫反應相互影響，呈耦合關系，故可以通過解耦的思想進行分析(圖1)。不管是鎂沉降速度還是放氫反應速率，兩者都取決于陰極極化電位、反應界面的初始 pH值以及初期 PCD，后三者均是可控的。

圖1 鈣質沉積層形成機制解耦分析圖Fig.1 Decoupling analysis of formation mechanism of calcareous deposits

當極化電位正于-1V時，放氫反應速率較低，有利于鈣質沉積層的形成。溶液的pH值很大程度上受到極化電流的控制。CaCO3沉積的臨界pH值為8.5，而Mg(OH)2沉積的臨界pH值為9.5，溶液的pH值大于 9.5時，氫氧化鎂將優先沉積，但由于碳酸鈣沉積受鎂離子抑制，富鎂層形成鎂離子減少，使碳酸鈣成核速率加快，同時因為碳酸鈣的過飽和度更高，一旦達到沉積尺寸，就會取代氫氧化鎂優先沉積[5]。

綜上所述，鈣質沉積層的質量由 PCD和被保護結構的極化電位控制，故合理選取陰極保護參數從而使被保護結構物表面形成致密鈣質沉積層是 ICCP在海洋環境中應用的關鍵。

2 外加電源方式防腐蝕

2.1 恒電位儀種類特征

可控硅恒電位儀、磁飽和恒電位儀和晶體管恒電位儀是3種典型的恒電位儀，其中可控硅恒電位儀體積小、輸出電流大，但過載能力較差，適用于船艦、港口碼頭等大功率腐蝕防護工程；磁飽和恒電位儀過載能力強、緊固耐用，但體積較大，適用于電廠、化工廠、長距離管道、油田腐蝕防護裝置等外加電流陰極保護系統；晶體管恒電位儀輸出穩定、無噪聲但接線復雜，適用于對穩定性、精度要求較高的科研或軍工項目。

2.2 恒電位儀控制方式

恒電位儀控制方式有 4種：電位控制、槽壓控制、電流控制、間歇控制，其中電流控制法的控制參數是電流，其余控制方式的控制參數都是電壓。由于電位控制方式的適用范圍廣、穩定性強且無延時，在工程上應用廣泛。

2.3 恒電位儀調試方法

在保護控制回路和測量回路正常工作的情況下，采用常規控制參數調試方法，根據測量反饋的數據調節恒電位儀的輸出，使保護系統達到保護要求。

3 陰陽電極方式防腐蝕

3.1 陽極

3.1.1 輔助陽極的屏蔽與防護

海洋環境中港口碼頭金屬管樁結構或海洋石油平臺的腐蝕防護系統一般采用 ICCP(圖2)，考慮海水具有良好的導電效果，需對輔助陽極進行屏蔽層保護[6]，使輸出電流更加均勻，減少陽極附近金屬結構過保護機率；另外被保護的金屬構架多位于潮間帶或淺海帶，輔助陽極連接沉塊下降到合適的位置后，容易受海底泥沙沖刷，在輔助陽極上安裝防護罩可以減輕海底泥沙沖刷造成的損害。

圖2 海洋石油平臺ICCP保護裝置布置圖Fig.2 Arrangement of ICCP protection device for marine oil platform

3.1.2 陽極電纜

海洋環境下的陽極電纜不僅要具備良好的絕緣性能，還要求較高的承重力。工程上，通常在陽極電纜外部采用耐鹽耐水性較好的絕緣皮以增強絕緣性能，在電纜內部加裝鋼絲繩以增強電纜線的承載力。

3.1.3 沉塊自轉問題

海水的升降、沖刷等不可抗力導致沉塊發生自轉，沉塊自轉在陽極電纜線上產生一定強度的扭矩。在沉塊上安裝旋轉吊鉤[6]，將沉塊自轉的機械能消耗在與海水的摩擦碰撞上，可以有效降低陽極電纜在中心線垂直面上的切應力，防止電纜因橫向過載而破損斷裂。

3.2 陰極

3.2.1 樁腿及平臺升降

陰極保護的 2個關鍵元件(陰極和參比電極)通常固定在被保護結構上，并與經鋼絲繩固定的接線盒電纜相連。在與陰極和參比電極相連接的電纜上配置可插拔航空水密插頭，當被保護構架進行升降操作前，拔下航空水密插頭，等升降操作結束構架位置固定后，再將插頭接好，避免對陰極電纜造成損傷，保證了陰極保護系統的完整性。

3.2.2 參比電極

參比電極在 ICCP中的功能如下：①測量被保護結構物的電位，不同的參比電極對應的被保護結構物安全電位是不同的；②給恒電位儀提供被保護結構物的電位信息，恒電位儀根據電位信息對陰極保護系統參數進行控制，使極化電位達到保護要求。參比電極種類很多，包括銀/鹵化銀、銅/硫酸銅和鋅/鋅化物等，海洋環境中通常采用耐水性能良好的鋅/鋅化物參比電極[7]。若參比電極失效，可以采用便攜式參比電極進行電位測量。

4 結 論

①致密鈣質沉積層的形成有利于海洋環境中的金屬腐蝕防護，其致密性與鎂沉降速度和放氫反應速率有關。②鎂沉降速度和放氫反應速率在影響鈣質沉積層的形成上相互制約，呈耦合關系，故采用解耦思想進行分析，解耦后的控制變量是極化電流密度和陰極極化電位，后兩者均是可控的。致密鈣質沉積層的形成條件可以簡化為調節極化電流密度和陰極極化電位參量。③從外加電源、陽極和陰極 3個層面闡述了ICCP在海洋工程上的應用。包括恒電位儀的選取、控制方式及調試；輔助陽極在海洋環境中應用的注意事項及應對方法、陽極沉塊的承重和耐海水性能考量、沉塊自轉問題的解決方法；樁腿以及平臺升降對電纜線的影響及應對、參比電極的選擇及意義。