基于ICCP海洋腐蚀防护工程的应用研究

张思捷，杨植民，高鹏飞，潘 露，童 青

(中国葛洲坝集团电力有限责任公司 湖北武汉430000)

0 引 言

冶炼和腐蚀作为一对逆过程在自然环境的制约下，大多数情况并不可逆，而地球上金属资源有限，且面临腐蚀威胁，因此腐蚀防护显得尤为重要。全世界每年因金属腐蚀造成的损失占各国国民经济总产值的 2%～5%[1]，其中海洋环境中的金属结构腐蚀严重[2]。在金属腐蚀防护方法中，ICCP在腐蚀防护效果以及环保方面优于其他方法。为了减少复杂的海洋环境对金属构架的腐蚀破坏，工程上通常采用 ICCP对金属构架进行保护。另外，ICCP还能通过利用外加电源幅频可控的特性[3]，对金属防腐技术进行更加全面深入的研究。

由于海洋环境的特殊性和复杂性，ICCP在石油平台、码头、港口等海洋工程中应用的影响因素众多。钙质沉积层是ICCP在海洋环境中应用的标志性产物，其形成机理复杂，涉及电解质原理、溶度积规则和材料学等诸多理论领域。本文针对ICCP海洋腐蚀防护工程的应用进行了梳理分析，包括钙质沉积层的形成机理和致密性的影响因素分析、外加电源的特征及控制调试方法总结、海洋环境中 ICCP阴阳电极工程应用的要点分析，并进行了简要总结，对 ICCP海洋腐蚀防护工程的应用具有一定借鉴意义。

1 钙质沉积层

1.1 ICCP海洋工程应用与钙质沉积层的关系

钙质沉积层主要成分是碳酸钙，是ICCP在海洋工程中应用的最终产物，碳酸钙的溶解度与海水深度正相关[4]。致密的钙质沉积层使得极化电流的分布更加均匀，阻碍阴极氧扩散，从而减少阴极极化电流的杂散损失以及降低被保护金属的电化学腐蚀速率，另外沉积层附着在钢结构表面能有效抑制钢中裂纹的扩大，增强了钢的耐腐蚀性能。沉积层形成后，可以显著减小极化电流密度(PCD，Polarization Current Density)，降低防腐蚀工程全周期的供电成本。

1.2 钙质沉积层的形成机理分析

在阴极极化的情况下，被保护结构与海水的接触面上会发生氧还原反应，即在电解池阳极发生的还原反应：

当极化电位正于-0.9V，还原反应由海水氧浓度和氧扩散速率控制，此时主要发生氧还原反应；当极化电位负于-1V，还原反应是以放氢反应为主。

氧还原反应和放氢反应的发生伴随着被保护结构周围OH-浓度的升高，而不断增加的OH-会参与到接下来2个关键的离子反应中。

①与海水中的镁离子结合生成难溶性化合物氢氧化镁，沉积在被保护结构表面：

②大气中的二氧化碳溶于海水生成 HCO3-，OH-的大量增加会使反应界面呈碱性，碱性条件下 CO32-转化为 HCO3-的过程被抑制，逆反应被加强，反应如下：

当 CO32-浓度和反应界面附近 Ca2+浓度满足溶度积要求，碳酸钙的沉淀反应会发生，此时沉淀附着在 Mg(OH)2沉积层表面，阻碍氢氧化镁沉淀的生成。随着电解池阴极反应的进行，最终金属结构表面会被两层固体物质覆盖，内层是氢氧化镁，外层是碳酸钙。

1.3 致密钙质沉积层形成的影响因素分析

影响钙质沉积层质量的主要因素是Mg(OH)2沉积速率和放氢反应速率。Mg(OH)2沉积速率快，镁沉降过多，内层偏厚，易脱落；沉积速率慢，反应界面的镁离子会抑制钙离子沉降，导致外层沉积速度慢。放氢反应速率与界面上氢氧根离子浓度正相关，而镁沉降的速度主要由氢氧根离子控制。由于在钙质沉积层形成过程中，镁沉降和放氢反应相互影响，呈耦合关系，故可以通过解耦的思想进行分析(图1)。不管是镁沉降速度还是放氢反应速率，两者都取决于阴极极化电位、反应界面的初始 pH值以及初期 PCD，后三者均是可控的。

图1 钙质沉积层形成机制解耦分析图Fig.1 Decoupling analysis of formation mechanism of calcareous deposits

当极化电位正于-1V时，放氢反应速率较低，有利于钙质沉积层的形成。溶液的pH值很大程度上受到极化电流的控制。CaCO3沉积的临界pH值为8.5，而Mg(OH)2沉积的临界pH值为9.5，溶液的pH值大于 9.5时，氢氧化镁将优先沉积，但由于碳酸钙沉积受镁离子抑制，富镁层形成镁离子减少，使碳酸钙成核速率加快，同时因为碳酸钙的过饱和度更高，一旦达到沉积尺寸，就会取代氢氧化镁优先沉积[5]。

综上所述，钙质沉积层的质量由 PCD和被保护结构的极化电位控制，故合理选取阴极保护参数从而使被保护结构物表面形成致密钙质沉积层是 ICCP在海洋环境中应用的关键。

2 外加电源方式防腐蚀

2.1 恒电位仪种类特征

可控硅恒电位仪、磁饱和恒电位仪和晶体管恒电位仪是3种典型的恒电位仪，其中可控硅恒电位仪体积小、输出电流大，但过载能力较差，适用于船舰、港口码头等大功率腐蚀防护工程；磁饱和恒电位仪过载能力强、紧固耐用，但体积较大，适用于电厂、化工厂、长距离管道、油田腐蚀防护装置等外加电流阴极保护系统；晶体管恒电位仪输出稳定、无噪声但接线复杂，适用于对稳定性、精度要求较高的科研或军工项目。

2.2 恒电位仪控制方式

恒电位仪控制方式有 4种：电位控制、槽压控制、电流控制、间歇控制，其中电流控制法的控制参数是电流，其余控制方式的控制参数都是电压。由于电位控制方式的适用范围广、稳定性强且无延时，在工程上应用广泛。

2.3 恒电位仪调试方法

在保护控制回路和测量回路正常工作的情况下，采用常规控制参数调试方法，根据测量反馈的数据调节恒电位仪的输出，使保护系统达到保护要求。

3 阴阳电极方式防腐蚀

3.1 阳极

3.1.1 辅助阳极的屏蔽与防护

海洋环境中港口码头金属管桩结构或海洋石油平台的腐蚀防护系统一般采用 ICCP(图2)，考虑海水具有良好的导电效果，需对辅助阳极进行屏蔽层保护[6]，使输出电流更加均匀，减少阳极附近金属结构过保护机率；另外被保护的金属构架多位于潮间带或浅海带，辅助阳极连接沉块下降到合适的位置后，容易受海底泥沙冲刷，在辅助阳极上安装防护罩可以减轻海底泥沙冲刷造成的损害。

图2 海洋石油平台ICCP保护装置布置图Fig.2 Arrangement of ICCP protection device for marine oil platform

3.1.2 阳极电缆

海洋环境下的阳极电缆不仅要具备良好的绝缘性能，还要求较高的承重力。工程上，通常在阳极电缆外部采用耐盐耐水性较好的绝缘皮以增强绝缘性能，在电缆内部加装钢丝绳以增强电缆线的承载力。

3.1.3 沉块自转问题

海水的升降、冲刷等不可抗力导致沉块发生自转，沉块自转在阳极电缆线上产生一定强度的扭矩。在沉块上安装旋转吊钩[6]，将沉块自转的机械能消耗在与海水的摩擦碰撞上，可以有效降低阳极电缆在中心线垂直面上的切应力，防止电缆因横向过载而破损断裂。

3.2 阴极

3.2.1 桩腿及平台升降

阴极保护的 2个关键元件(阴极和参比电极)通常固定在被保护结构上，并与经钢丝绳固定的接线盒电缆相连。在与阴极和参比电极相连接的电缆上配置可插拔航空水密插头，当被保护构架进行升降操作前，拔下航空水密插头，等升降操作结束构架位置固定后，再将插头接好，避免对阴极电缆造成损伤，保证了阴极保护系统的完整性。

3.2.2 参比电极

参比电极在 ICCP中的功能如下：①测量被保护结构物的电位，不同的参比电极对应的被保护结构物安全电位是不同的；②给恒电位仪提供被保护结构物的电位信息，恒电位仪根据电位信息对阴极保护系统参数进行控制，使极化电位达到保护要求。参比电极种类很多，包括银/卤化银、铜/硫酸铜和锌/锌化物等，海洋环境中通常采用耐水性能良好的锌/锌化物参比电极[7]。若参比电极失效，可以采用便携式参比电极进行电位测量。

4 结 论

①致密钙质沉积层的形成有利于海洋环境中的金属腐蚀防护，其致密性与镁沉降速度和放氢反应速率有关。②镁沉降速度和放氢反应速率在影响钙质沉积层的形成上相互制约，呈耦合关系，故采用解耦思想进行分析，解耦后的控制变量是极化电流密度和阴极极化电位，后两者均是可控的。致密钙质沉积层的形成条件可以简化为调节极化电流密度和阴极极化电位参量。③从外加电源、阳极和阴极 3个层面阐述了ICCP在海洋工程上的应用。包括恒电位仪的选取、控制方式及调试；辅助阳极在海洋环境中应用的注意事项及应对方法、阳极沉块的承重和耐海水性能考量、沉块自转问题的解决方法；桩腿以及平台升降对电缆线的影响及应对、参比电极的选择及意义。