專題 | 國內外陰極保護技術的發展和進展
2019-12-31 14:11:02 作者:顏東洲 黃海 李春燕 來源:《腐蝕與防護之友》 分享至:

文 | 顏東洲 黃海 李春燕 中國工業防腐蝕技術協會 中石油西南油氣田分公司輸氣工藝技術研究所 濰坊亞星集團建修處

 

一、陰極保護概述

 

陰極保護技術是電化學保護技術的一種,其原理是向被腐蝕金屬結構物表面施加一個外加電流,被保護結構物成為陰極,從而使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制,避免或減弱腐蝕的發生。


陰極保護技術分為犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護,目前該技術已經基本成熟,廣泛應用到土壤、海水、淡水、化工介質中的鋼質管道、電纜、鋼碼頭、艦船、儲罐罐底、冷卻器等金屬構筑物的腐蝕控制。


二、國外陰極保護的發展

 

1.起源

 

1823 年,英國學者漢·戴維(Davy)接受英國海軍部對木制艦船的銅護套的腐蝕的研究,用錫、鐵和鋅對銅進行保護,并將采用鐵和鋅對銅保護的相關報告于 1824 年發表,這就是現代腐蝕科學中陰極保護的起點。


雖然戴維采用了陰極保護技術對銅進行保護,但對其工作原理卻并不清晰。1834 年,電學的奠基人法拉第奠定了陰極保護的原理;1890 年愛迪生根據法拉第的原理,提出了強制電流陰極保護的思路。


1902年,K·柯恩采用愛迪生的思路,使用外加電流成功地實現了實際的陰極保護。1906 年,德國建立第一個陰極保護廠;1910 年~ 1919 年,德國人保爾和佛格爾用 10 年的時間,在柏林的材料試驗站確定了陰極保護所需要的電流密度,為陰極保護的實際使用奠定了基礎。


2.現代技術的發展

 

1928 年,被稱為美國“電化學之父”的羅伯特·J·柯恩(Kuhn)在新奧爾良的一條長距離輸氣管道上安裝了第一套犧牲陽極保護裝置,為陰極保護的現代技術打下了基礎。此后,陰極保護在美國和一些發達國家得到快速推廣,并于1936 年成立了(美國)中部大陸陰極保護協會。


日本自 1953 年開始,外加電流陰極保護得到了廣泛應用,或許是由于日本海灣較多而輸油管道少的緣故,日本最先應用陰極保護的領域是海灣工程領域。


至 1970 年底,美國已有 64 萬公里的油氣管道采用了陰極保護,而原西德、原蘇聯等在修建管道的同時就安裝了陰極保護。


與此同時,陰極保護的應用領域不斷擴大。1973 年,Strufull 等人將外加電流陰極保護應用到美國 50 號國道位于加州斯萊公園的鋼筋混凝土公路橋上,開辟了陰極保護在鋼筋混凝土結構中的應用,此后,這種方法在國外得到迅速發展和廣泛應用,目前美國混凝土協會己經認可將該技術用于鋼筋混凝土結構的維修和保護。美國聯邦高速公路管理局(FIIWA)自 1975 年起,開始將陰極保護技術應用于鋼筋混凝土的停車庫、橋梁和隧道中,并于 1982 年指出:“陰極保護是已經被證實的唯一能夠制止鹽污染橋面板腐蝕的維修技術,無論混凝土中的氯化物含量如何”。


陰極保護在得到廣泛應用的同時,相關技術也在不斷提高。1971 年,混合型金屬氧化物陽極首次應用于海水中,埋在海床泥漿中發揮著陰極保護作用。1973 年,太陽能電池開始為陰極保護裝置提供能源。1979 年布勞爾(Brauer)發表了使用有限元法進行陰極保護設計的第一篇論文,1982 年菲尤發表了第一篇關于邊界元法在陰極保護設計上應用的文章。1983 年唐索(Danso)和沃恩(Warne)第一次采用“邊界元法”這一名稱對其在陰極保護設計上應用的原理進行論述,并報導了應用邊界元法的現代設計方法對英國北海油田某一采油平臺進行陰極保護系統設計的成功應用。1985 年在加拿大安大略省的一座橋面板的陰極保護中首次使用了混合金屬氧化物鈦陽極。1988 年美國加州公路局 Apostolos 首先在舊金山海灣一座跨海混凝土橋墩和橋面板上試用噴鋅層陰極保護。


3.相關法規的設立

 

1971 年,美國首次立法規定,對輸送危險、重要物料的地下管線在施加涂層基礎上,必須實施陰極保護。第二年,也就是1972年,日本也設立了類似法規,規定油氣管道及儲罐必須采用陰極保護與涂層聯合防腐蝕。


1988 年,美國的環保法對地下儲油罐提出了相關的規定,要求所有的地下儲罐限期在 1998 年 12 月底前必須施加陰極保護,否則將受到處罰。


三、國內陰極保護的發展

 

1.應用領域的發展

 

我國的陰極保護工作開始于 1958年。其直接原因是當時一條長輸管道(克拉瑪依-獨山子輸油管道)埋地 11 個月就開始穿孔漏油,最嚴重時每天都要穿孔幾次。1961 年將原管道停產并施加了陰極保護,施加陰極保護后,該管道連續運行了 20 多年未出現漏油,1986年有關專家通過考察、分析、評估,認定此管道還可工作 20 年。


1960年以來,我國先后在新疆、大慶、四川、勝利、華北等油氣田的地下輸油和輸氣管道工程中,以及在北京、上海、天津、哈爾濱、廣州、青島、濰坊、成都、重慶等十幾個大中城市新建的輸氣管線和輸水管線等工程中,均采用了陰極保護技術,獲得了明顯的防腐蝕效果。


1965 年,陰極保護技術在渾河水閘上試用,1966 年在江蘇的三河閘、射陽河擋潮閘和安徽裕溪口船閘閘門上進行了現場“涂料+外加電流陰極保護及犧牲陽極”的試驗,取得了成功。開啟了陰極保護在水利領域的應用。


1978 年,福建三明無線電二廠的KKG 型恒電位儀研制成功,并獲得了全國科學大會獎。同年,中石油管道設計院與撫順鋁廠開展的鎂犧牲陽極研制,陸續通過了技術鑒定,把我國的犧牲陽極研究發展到實用化程度。而原六機部725 所(現中船重工集團 725 所)開發的船用犧牲陽極的研制和船用外加電流陰極保護技術,也獲得了 1978 年的全國科學大會獎。


1980 年前后,我國開始在電廠凝汽器上采用陰極保護。


1983 年,我國開始對油井采用陰極保護生產試驗,取得了良好的保護效果,為套管防腐提供了一種新的解決方法,也開辟了陰極保護在油井套管中的應用。同年 10 月 6 日,由當時的國家建筑材料工業局水泥司和營口市城鄉建設環境保護委員會聯合主持召開了“預應力鋼筋混凝土輸水管道應用陰極保護評議會”,1984 年 9 月,原國家建材局主持召開了陰極保護在預應力混凝土管道上應用的部級鑒定會,推動了陰極保護在鋼筋混凝土管道中的應用。


1990 年,在遼陽化纖公司開展了我國首例在石化防爆廠區的地下管網陰極保護技術應用。該方案有當時在該公司工作的高金吉院士主要負責。該次應用成功突破了國際上外加電流陰極保護技術在防爆廠區內實施區域性陰極保護的禁區,開辟了陰極保護應用的新領域。此后,深井陽極陰極保護技術在國內石化行業得到了迅速的推廣和應用。


1997 年原武漢水利電力大學承接原國家電力公司下達的重點科研項目“接地網防蝕研究及應用”,其中重要的研究內容之一就是在變電站現場進行接地網防蝕工程試驗,以確定接地網陰極保護的可行性,為電力系統地下網的陰極保護開辟了道路。


1998 年,鄭州市天然氣公司在全國率先采用對地下燃氣管網采用深井陽極陰極保護技術和分段預制陽極體技術進行保護,實施后每年創造的直接經濟效益 580 萬元。隨后,西安等城市也采用了類似技術,為地下燃氣管網提供了保護。


2008 年,全球電器供應商阿里斯頓在全球推出了使用外加電流陰極保護技術的電熱水器,取代了此前電熱水器中一直使用的鎂棒(犧牲陽極)。目前,國內的太陽能熱水器巨頭皇明集團等也在積極將外加電流陰極保護應用于太陽能熱水器中。陰極保護已經不僅僅局限于工業領域的應用,在民用領域,同樣市場空間巨大(估計在我國電熱水器領域,犧牲陽極的市場達到20億元/年)。


2.專業公司的發展

 

1972 年,三明市無線電二廠(當時為三明自來水廠熱工儀表車間)與中科院物質結構研究所合作,生產了我國第一臺恒電位儀—HDV-3 晶體管恒電位儀,這是我國首個外加電流陰極保護的正式產品。該廠后續生產的 KKG 型恒電位儀研制成功,成為我國長期以來使用的陰極保護產品。2007 年,該廠由國有企業改制為民營公司,企業更名為福建暢聯電子有限公司。


2000 年,我國第一家專門從事陰極保護的公司上海海諾科技發展公司成立,此前在中船重工 725 所工作的武烈先生擔任該公司總經理(現武烈先生已去世),重點推廣深井陽極陰極保護技術。同年 5 月 28 日,塔里木油田指揮部召集有關專家、技術人員召開“塔中、桑解油田陰極保護改造施工方案評審會”,聽取了海諾公司的方案論證和施工設計,確定采用深井陽極技術。此后,深井陽極陰極保護技術在鄭州燃氣管網等多項工程中得到應用。


2004 年,我國第一家專門從事陰極保護業務的中外合資公司中港 - 圣維可(廣州)防腐工程有限公司成立,中方為中國港灣建設(集團)總公司和中港廣州四航工程技術研究院,外方為芬蘭圣維可集團。該公司成立以來,為很多港口工程、大型橋梁等提供了陰極保護服務。2009 年,該公司改制為純外資企業。


2000 年以來,由于市場需求急劇增長、國有體制改革、人員流動及防腐蝕行業快速發展等原因,涌現了一批專門從事陰極保護的公司。從事陰極保護研究的科研院所,或者自己成立公司,或者人員流出成立公司,如中船重工 725所(原六機部 725 所)成立了青島雙瑞公司,中科院物構所人員創辦廈門洗霸公司等,部分在中石化等大型企業中從事陰極保護工作的人員,也創立了自己的公司,如山東科特等。同時,隨著北京有色金屬研究院、中科院海洋所等單位的技術轉讓,也誕生了一批專業生產犧牲陽極的公司,其中一些公司的業績已經頗具規模。而國內防腐蝕市場的快速發展,也吸引著外資公司逐漸進入中國,目前,一批專業從事陰極保護工程或生產輔助陽極等陰極保護用品的日本、美國公司,已經進入國內市場。


迄今為止,我國已有幾十家專門從事陰極保護工程的公司,服務對象涉及石油、石化、化工、船舶、橋梁、港口等領域。


3.技術的發展

 

1965年,中科院福建物構所二部(原催化電化研究室)科技人員研制成功我國第一臺 10 安培晶體管恒電位儀。此后,我國恒電位儀的研制和應用獲得較快的進展,出現了專門生產恒電位儀的公司(如福建三明無線電二廠,近年來崛起的青島雅合公司等),促進了大型油碼頭、采油平臺、水上鋼結構物等海洋設施上成功應用恒電位外加電流陰極保護。1976 年后,陰極保護技術在我國的發展步伐加快,很多設計研究院都取得了豐碩的科研成果,1978 年召開了全國電化學保護會議,總結了各單位在應用陰極保護方面的經驗,極大地推動了我國陰極保護技術的進步。


1999 年,在北京召開的由中國工業防腐蝕技術協會主辦的第一屆中國國際腐蝕控制大會上,德國 SSS 公司演示了當時世界上最先進的陰極保護遙控系統,通過一部手提電腦和一部手機,利用電腦中的軟件直接控制德國法蘭克福北部一座天然氣管道陰極保護站的保護參數。這項先進技術當時給中國的陰極保護工作者不小的觸動。如今,我國的科技人員也已經能實現此類操作。


4.相關標準

 

1982 年,原石油部制定了陰極保護方面的技術標準;1984 年,我國制訂了犧牲陽極國家標準,同年制訂了外加電流陰極保護的交通部標準。這些標準的制訂和實施,為犧牲陽極和外加電流陰極保護方案的進一步推廣應用提供了保證。


在 1989 年頒發的《石油、天然氣管道保護條例》中,明文規定:“埋地管道必須施加陰極保護”。同年 7 月 11日,我國石油天然氣總公司簽發了《油田陰極保護系統管理規定》,規定:“新建的外輸管道必須采用陰極保護,油、水井套管、集輸管網和供水管道應采用區域性陰極保護,老鋼質管道和儲罐在改造時應逐步采用陰極保護”。


2009 年 11 月,經第十一屆全國人大常委會第十一次會議審議,通過了《中華人民共和國石油天然氣管道保護法(草案)》,將我國石油天然氣管道保護從部門條例上升為國家法律。在該法中,規定“管道,包括:(一)管道線路;(二)管道的陰極保護站、陰極保護測試樁、陽極地床、雜散電流排流站等防腐設施……”。


目前,國家質檢總局正在積極制訂相關安全技術規則,要求我國境內的埋地鋼制容器和壓力管道必須采用陰極保護,以保障埋地鋼制容器和壓力管道的安全運行。相信隨著該規則的制訂和實施,將進一步推動我國陰極保護技術的技術進步和發展。


四、結語

 

陰極保護技術作為一項效果好、應用領域廣的防腐蝕技術,其使用效果已經得到了大家的認可。在我國,陰極保護最早主要應用于石油化工、船舶等領域,近年來隨著東海大橋、杭州灣大橋、青島跨海大橋等跨海大橋的修建,在橋梁、港口等眾多領域都得到了推廣。相信隨著眾多領域對腐蝕控制的重視,經過我們廣大防腐蝕工作者的努力,陰極保護將在我國得到更大發展,為更多構筑物、設備提供防腐蝕保護。

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