海水腐蝕與外加電流陰極保護(hù)

摘要：金屬—電解質(zhì)溶解腐蝕體系受到陰極極化時(shí)，電位負(fù)移，金屬陽(yáng)極氧化反應(yīng)過(guò)電位ηa 減小，反應(yīng)速度減小，因而金屬腐蝕速度減小，稱為陰極保護(hù)效應(yīng)。利用陰極保護(hù)效應(yīng)減輕金屬設(shè)備腐蝕的防護(hù)方法叫做陰極保護(hù)。陰極保護(hù)法在海洋腐蝕中應(yīng)用比較廣泛。

一、造成海水腐蝕的原因

    海洋環(huán)境是一種復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，海水是一種含有多種鹽類的電解質(zhì)溶液，以3～3.5％的氯化鈉為主鹽，pH值為8左右，并溶有一量的氧氣。海水對(duì)金屬的腐蝕是多種綜合因素作用的效果，包括化學(xué)因素、物理因素、生物因素?；瘜W(xué)腐蝕在海水腐蝕中占主導(dǎo)地位。發(fā)生腐蝕的原因很多，比如：由于海水導(dǎo)電性好，腐蝕電池的歐姆電阻很小，因此異金屬接觸能造成陽(yáng)極性金屬發(fā)生顯著的電偶腐蝕破壞；海水中含大量氯離子，易造成金屬鈍態(tài)局部破壞；碳鋼在海水中發(fā)生吸氧腐蝕……

    海洋腐蝕是金屬構(gòu)件在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。海洋環(huán)境的腐蝕包括海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)。對(duì)于處于海水環(huán)境中的金屬結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，海洋大氣區(qū)受海洋性大氣腐蝕影響。飛濺區(qū)指平均高潮線以上海洋飛濺所能濕潤(rùn)的位置。在這個(gè)部位，金屬材料表面連續(xù)不斷地被海水濕潤(rùn)，海水又與空氣充分接觸，含氧量充分，含鹽量很高，加上海水的沖擊作用，腐蝕在這個(gè)部位最為嚴(yán)重。當(dāng)很高的風(fēng)速和海流速造成強(qiáng)烈的海水運(yùn)動(dòng)時(shí)，海水的沖擊會(huì)在飛濺區(qū)成磨耗－腐蝕聯(lián)合作用的破壞。同時(shí)強(qiáng)烈的海水沖擊不斷地破壞腐蝕產(chǎn)物和保護(hù)涂層，增加了飛濺區(qū)的腐蝕。不同海區(qū)飛濺區(qū)的腐蝕主要于風(fēng)浪和溫度。飛濺區(qū)金屬表面溫度更接近于氣溫。風(fēng)浪大的熱帶海域鋼鐵在飛濺區(qū)的腐蝕最為嚴(yán)重。潮差區(qū)指平均高潮位與平均低潮位之間的區(qū)段，金屬表面與含氧充分的海水周期性地接觸，引起腐蝕。與飛濺區(qū)相比，潮汐區(qū)的氧擴(kuò)散沒(méi)有飛濺區(qū)那樣快，也無(wú)強(qiáng)烈的海水沖擊。潮汐區(qū)金屬表面溫度受氣溫影響也受海水溫度的影響，通常接近于表層海水溫度。潮差區(qū)的腐蝕通常是平均高潮位和平均低潮位最為嚴(yán)重，這是氧濃差電池的作用。潮差段因供氧充分，成為陰極，受到一定程度的保護(hù)，腐蝕減輕。低潮位以下全浸區(qū)因供氧相對(duì)較少成為陽(yáng)極，使腐蝕加速。在工程設(shè)計(jì)上，有時(shí)把潮差區(qū)并入飛濺區(qū)一起考慮，并不是因?yàn)閮啥伍g的腐蝕是一樣的，而是從施工、維護(hù)和陰極保護(hù)方面加綜合考慮，使之協(xié)調(diào)一致。全浸區(qū)指平均低潮線以下的位置為海水全浸區(qū)。根據(jù)海洋的深度不同，又分為淺海區(qū)和深海區(qū)，二者并無(wú)確切的深度界限，一般所說(shuō)的淺海區(qū)大多指100～200m以內(nèi)的海水。海洋環(huán)境因素如溫度、含氧量、鹽度、pH值等隨海洋的深度而變化，所以海水深度必然影響到全浸區(qū)金屬的腐蝕行為。其中是最為主要的因素是溫度和含氧量。全浸區(qū)中鋼鐵的腐蝕速度在0.07~0.18mm/a。淺海區(qū)海水氧處于飽和態(tài)，溫度高，海水流速大腐蝕比深海區(qū)大，海洋生物會(huì)粘附在金屬材料上。一般來(lái)說(shuō)，20m水深以內(nèi)的海水較深層海水具有更強(qiáng)的腐蝕性。海泥區(qū)主要由海底沉積物構(gòu)成，含鹽度高，電阻率低，因此是良好的電解質(zhì)，對(duì)金屬的腐蝕要比陸地上土壤要高。由于氧濃度十分低，所以海泥區(qū)的腐蝕比全浸區(qū)要低。如同潮差區(qū)和全浸區(qū)一樣，在全浸區(qū)和海泥區(qū)之間也會(huì)因?yàn)檠醯臐舛炔灰粯佣斐?SPAN lang=EN-US>                 濃差電池。泥線以下因?yàn)橄鄬?duì)缺氧而成為陽(yáng)極，加重腐蝕。

    海洋腐蝕主要是局部腐蝕，即從構(gòu)件表面開(kāi)始，在很小區(qū)域內(nèi)發(fā)生的腐蝕，如電偶腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕等。鋼鐵的腐蝕是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程，表面失去電子發(fā)生陽(yáng)極氧化反應(yīng)，陰極保護(hù)法就是利用了它的電化學(xué)腐蝕原理，通過(guò)人為施加負(fù)向電流，從而使金屬的表面的反應(yīng)有原來(lái)的失去電子的氧化反應(yīng)，成為得電子還原反應(yīng)，從而使金屬的腐蝕得到抑制。

二、陰極保護(hù)法的原理

    外加電流陰極防護(hù)系統(tǒng)就是通過(guò)外加電流，把電源正極連接在難溶性輔助陽(yáng)極上強(qiáng)制形成陽(yáng)極區(qū)；把電源的負(fù)極連接在受保護(hù)的鋼筋上，強(qiáng)制形成陰極區(qū)。陽(yáng)極與被保護(hù)的鋼筋均處于連續(xù)的電解質(zhì)中，使被保護(hù)的鋼筋接觸電解質(zhì)的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子，從而受到陰極保護(hù)。外加電流陰極保護(hù)技術(shù)不是被動(dòng)防護(hù)，而是主動(dòng)預(yù)防。并且保護(hù)年限根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，可延長(zhǎng)鋼鐵的使用年限。因此從實(shí)際保護(hù)效果來(lái)看，外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在防護(hù)期限和主動(dòng)控制等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

    外加電流陰極防護(hù)是以犧牲陽(yáng)極為前提保護(hù)陰極，對(duì)陽(yáng)極有以下要求：陽(yáng)極電位要足夠負(fù)；陽(yáng)極溶解性能好；理論發(fā)電量大；同時(shí)對(duì)實(shí)際發(fā)生電量和電流效率有要求。因此選擇合適的陽(yáng)極可以有效的保護(hù)鋼鐵不被腐蝕，減少腐蝕造成的損失，尤其在海洋環(huán)境中有很好的作用效果。

三、陰極保護(hù)法的實(shí)例——艦船外殼的保護(hù)

    艦船在海上航行時(shí), 艦船殼體、推進(jìn)器、內(nèi)艙、冷凝器和海水管路系統(tǒng)等部位都會(huì)發(fā)生腐蝕。艦船腐蝕的原因比較復(fù)雜, 是多種不同腐蝕形態(tài)共存的。其中最主要的原因是由于海水的含鹽度高( 一般在33% ~ 37%), 艦船的金屬材料與海水接觸時(shí), 會(huì)形成無(wú)數(shù)個(gè)微小原電池而引起艦船的金屬腐蝕。腐蝕的后果是嚴(yán)重的, 受到海水及海面鹽霧的侵蝕后, 艦艇的甲板及艦體, 每年需涂幾次涂料進(jìn)行防護(hù)。南海地區(qū)艦艇每次小修更換的腐蝕鋼板達(dá)1 /3 , 中修換板率超過(guò)1 /2, 甚至新艦艇尚未服役即出現(xiàn)腐蝕等問(wèn)題, 既增加了維修工作量, 降低了航率, 又造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失, 嚴(yán)重地影響了部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。因此, 采用外加電流陰極保護(hù)有效地防止海洋環(huán)境下的艦船腐蝕破壞, 是當(dāng)今世界各國(guó)的普遍做法。

    艦船的陰極保護(hù)歷史悠久, 應(yīng)用廣泛。從20 世紀(jì)60年代開(kāi)始, 陰極保護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為世界各國(guó)艦船必不可少的防腐蝕技術(shù), 各國(guó)的科研人員正在對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備和材料及陰極保護(hù)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行深入研究, 以期達(dá)到延長(zhǎng)保護(hù)年限、提高陰極保護(hù)系統(tǒng)

的可靠性和自動(dòng)化程度、降低保護(hù)費(fèi)用的目的。陰極保護(hù)根據(jù)陰極給電流的方式不同可分為犧牲陽(yáng)極法和外加電流法。對(duì)于艦船, 往往采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng), 這是因?yàn)?SPAN lang=EN-US>: ( 1)智能化的恒電位儀能隨

著外界環(huán)境的變化, 如不同海區(qū)的溫度、鹽度、風(fēng)浪及動(dòng)靜態(tài)等的變化, 給出參比電極的信號(hào), 自動(dòng)調(diào)整保護(hù)電流, 使艦船始終處于良好的保護(hù)狀態(tài), 有利于縮短塢修日期, 延長(zhǎng)進(jìn)塢的間隔; ( 2)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝陽(yáng)極數(shù)量少, 對(duì)水流的阻力可忽略; 節(jié)約燃料和涂料; ( 3)對(duì)于潛艇來(lái)說(shuō), 在外殼裝犧牲陽(yáng)極以后, 航行時(shí)會(huì)產(chǎn)生可測(cè)得的聲響, 影響其隱蔽性; ( 4)外加電流系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng), 甚至可與艦船同壽命, 而犧牲陽(yáng)極的使用壽命一般只有l~ 2 a, 消耗完后必須更換。外加電流的陰極保護(hù)系統(tǒng)在艦船上應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn):

1．中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海200032;

2．上海申航基礎(chǔ)工程有限公司，上海200122) 外加電流陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)海港工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)；

3. 李 天（廣州中港圣維可防腐工程有限公司，廣東 廣州 510530）外加電流陰極保護(hù)在港口鋼結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用。