专题

侯世忠

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471023）

0 引言

我国幅员辽阔，大陆海岸线长达1.8万多公里，近海海域面积约470多万平方公里。海水是一种强烈的腐蚀介质，航行在其中的船舶会遭受到不同程度的腐蚀，严重影响海军的战斗能力，因此，船舶的防蚀问题受到各个国家的重视。从英国化学家Davy自1824年首次应用阴极保护技术以来，经过190多年的研究，阴极保护技术得到了长足的发展。

阴极保护一般分为牺牲阳极和外加电流保护两种，两种方法各有优缺点，可以相互补充，或联合使用，其明显的保护效果和显著的经济效益得到了普遍的认可。近些年来，在腐蚀领域科研人员的努力下，阴极保护技术的各种设备、材料和设计技术又取得了新的进展。

1 概述

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被保护的金属结构提供阴极保护电流，被保护结构物成为阴极，使其阴极极化到一定范围，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。牺牲阳极保护是通过金属（阳极）自身的溶解来向被保护结构提供电流，外加电流保护是通过直流电源设备向被保护结构提供电流。目前阴极保护技术已经基本成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的埋地管网、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物的腐蚀控制。

近代科学技术的高速发展，特别是电子技术的突飞猛进，有力地促进了腐蚀防护学科的进步。阴极保护技术的发展以外加电流和牺牲阳极两大系列分别开发了多种产品和新材料，如辅助阳极从简单的钢管发展到石墨、高硅铸铁、铅银阳极、磁性氧化铁、贵金属氧化物阳极、铂钛阳极等，可控电源由磁饱和、大功率晶体管、可控硅三大系列的恒电位仪向IGBT电子电力模块、开关电源数字化发展；牺牲阳极已形成有铝基、镁基、锌基三大系列阳极材料以外的复合式阳极，以适应各种不同环境和工况。国外20世纪60年代出现了整体绝缘接头，发达国家如美国和西德已用整体埋地型绝缘接头取代了绝缘法兰。我国天然气总公司也研制了类似绝缘接头，并在工程上使用，这在城市管网中使阴极保护的普及更为经济和方便 [1] 。

2 研究现状

2.1 船体的阴极保护

2.1.1 牺牲阳极阴极保护

它是通过在船体外表面安装充当阳极的被牺牲掉的金属块，以保护作为阴极的船体钢板不被腐蚀。目前，船体使用的牺牲阳极有锌-铝-镉三元合金、高效铝合金阳极、铁合金阳极等。各种不同船型所采用的牺牲阳极型号和数量是根据船体各部位的形状、面积和环境情况专门设计的。

船舶牺牲阳极主要为锌合金阳极和铝合金阳极两种。我国于20世纪60年代主要参照美国标准开始研究工作，于70年代成功的研制出了锌-铝-镉合金牺牲阳极，并广泛应用在海军和民用的船舶及港工设施的防腐上，取得了重大的社会经济效益。在“七五”“八五”期间，对高效铝合金牺牲阳极进行科研立项，并研制出电流效率大于90%的铝合金牺牲阳极，其主要成分是铝-锌-铟-镁-钛，现在船舶上安装的牺牲阳极正逐步由高效铝合金阳极取代锌合金阳极和普通铝合金阳极。随着使用环境的变化，现在一种高活化铝合金牺牲阳极已经研制出来，其电流效率高于90%，主要成分是铝-锌-铟-镁-镓-锰，它在全浸区的电化学性能与高效铝阳极基本相同，但在间浸区性能要优于高效铝阳极，因此更适合在干湿交替的海水介质中使用 [2] 。

2.1.2 外加电流阴极保护

它是利用只起导电作用而不溶解的辅助阳极，在阳极和钢板之间加一直流电源，并通过海水构成回路。电源向钢板输入保护电流，使钢板成为阴极而得到保护。该外加电流保护系统由恒电位仪（外加电源）、参比电极、不溶性辅助阳极及接地装置等组成。整个系统使船体电位始终处在保护电位范围内。而生铁、石墨、银或者镀铂的钛常被用作阳极材料。

相对于牺牲阳极阴极保护技术，外加电流阴极保护具有系统保护寿命长、输出电流大且可以根据需要进行调节等优点。我国外加电流阴极保护系统自20世纪60年代开始进行研究，随着其技术的成熟，已经广泛应用于军舰和各种类型的民用船舶。该技术一般应用于船舶壳体、螺旋桨、舵等部位的保护。现在外加电流阴极保护技术也取得了长足的进步，主要研究方向以控制电源和辅助阳极为主，兼顾参比电极。

在船舰上常用的辅助阳极主要是铂-钛、铂-铌，它们具有排流量大，使用寿命长等优点，但价格昂贵，限制了其更广泛的应用。为降低费用，研制出了钛基贵金属氧化物阳极，其工作寿命为25年，电流密度为600A/m 2 ，性能接近铂复合阳极，且易加工成较大尺寸，已经在大型船舰上展开应用，由于制造成本的降低，在腐蚀的其他领域也得到广泛应用。为规范阴极保护系统的设计、安装和使用，制定了GB 8841-1988《海船牺牲阳极阴极保护设计和安装》、GB/T 3108-1999《船体外加电流阴极保护系统》、GB 7788-1989《船舶与海洋工程阳极屏蔽涂料通用技术条件》、GJB 157-1986《水面舰船牺牲阳极保护设计和安装》等标准 [3] 。

2.2 管道的阴极保护技术

我国研究阴极保护技术首先在船舶、闸门等钢铁构筑物上得到应用。埋地油气管道的阴极保护于1958年小规模试验，60年代在新疆、大庆等油气管道上推广，1965年在浑河水闸上使用。1970年长输管道开始建设时，阴极保护已是必需的技术，它可以成功控制埋地管道的腐蚀，延长管道的寿命，为管道的安全生产提供技术保证。阴极保护技术在Davy发明后，直到20世纪30年代才在管道上推广使用。《法国煤气》杂志曾报道过， 德国有1.7万km、法国有2万km、苏联有6万km、美国则有64万km管道施加了阴极保护 [4] 。

2.2.1 牺牲阳极法

它是将比需要保护的金属或合金电位更低的金属或合金，共同放置于同一个溶液中，因电位更低，在溶液中比被保护金属更快的溶解，释放出电流，从而保护了需要保护的金属，防止被腐蚀。常用的牺牲阳极材料有镁和镁合金、锌和锌合金和铝合金等，碳钢也可以作为阳极材料用于某些电位较正金属（如铜合金、不锈钢等）在盐水、海水环境中的保护。

（1）镁基牺牲阳极

镁基牺牲阳极有纯镁、Mg-Mn系合金和Mg-Al-Zn-Mn系合金等三类，其共同的特点是密度小、理论电容量大、电位负、极化率低，对钢铁的驱动电位大（>0.6V），适用于电阻率较高的土壤和淡水中金属构件的保护，但不足之处是它的电流效率不高，通常低于50%，其中性能较好和获得广泛应用的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn合金；

（2）锌基牺牲阳极

锌基牺牲阳极种类较多，有纯Zn、Zn-Al、Zn-Al-X、Zn-Sn、Zn-Hg系等。早期使用的都是纯Zn阳极，近年来锌合金阳极开始得到广泛应用。锌阳极自腐蚀速率小，电流效率高，极化效率高，使用寿命长，具有自动调节电流的特性，使用时没有过保护的危险。适用于海水、盐水及低电阻率（