海水腐蚀与外加电流阴极保护

摘要：金属—电解质溶解腐蚀体系受到阴极极化时，电位负移，金属阳极氧化反应过电位ηa 减小，反应速度减小，因而金属腐蚀速度减小，称为阴极保护效应。利用阴极保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护。阴极保护法在海洋腐蚀中应用比较广泛。

一、造成海水腐蚀的原因

    海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，海水是一种含有多种盐类的电解质溶液，以3～3.5％的氯化钠为主盐，pH值为8左右，并溶有一量的氧气。海水对金属的腐蚀是多种综合因素作用的效果，包括化学因素、物理因素、生物因素。化学腐蚀在海水腐蚀中占主导地位。发生腐蚀的原因很多，比如：由于海水导电性好，腐蚀电池的欧姆电阻很小，因此异金属接触能造成阳极性金属发生显著的电偶腐蚀破坏；海水中含大量氯离子，易造成金属钝态局部破坏；碳钢在海水中发生吸氧腐蚀……

    海洋腐蚀是金属构件在海洋环境中发生的腐蚀。海洋环境的腐蚀包括海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。对于处于海水环境中的金属结构来说，海洋大气区受海洋性大气腐蚀影响。飞溅区指平均高潮线以上海洋飞溅所能湿润的位置。在这个部位，金属材料表面连续不断地被海水湿润，海水又与空气充分接触，含氧量充分，含盐量很高，加上海水的冲击作用，腐蚀在这个部位最为严重。当很高的风速和海流速造成强烈的海水运动时，海水的冲击会在飞溅区成磨耗－腐蚀联合作用的破坏。同时强烈的海水冲击不断地破坏腐蚀产物和保护涂层，增加了飞溅区的腐蚀。不同海区飞溅区的腐蚀主要于风浪和温度。飞溅区金属表面温度更接近于气温。风浪大的热带海域钢铁在飞溅区的腐蚀最为严重。潮差区指平均高潮位与平均低潮位之间的区段，金属表面与含氧充分的海水周期性地接触，引起腐蚀。与飞溅区相比，潮汐区的氧扩散没有飞溅区那样快，也无强烈的海水冲击。潮汐区金属表面温度受气温影响也受海水温度的影响，通常接近于表层海水温度。潮差区的腐蚀通常是平均高潮位和平均低潮位最为严重，这是氧浓差电池的作用。潮差段因供氧充分，成为阴极，受到一定程度的保护，腐蚀减轻。低潮位以下全浸区因供氧相对较少成为阳极，使腐蚀加速。在工程设计上，有时把潮差区并入飞溅区一起考虑，并不是因为两段间的腐蚀是一样的，而是从施工、维护和阴极保护方面加综合考虑，使之协调一致。全浸区指平均低潮线以下的位置为海水全浸区。根据海洋的深度不同，又分为浅海区和深海区，二者并无确切的深度界限，一般所说的浅海区大多指100～200m以内的海水。海洋环境因素如温度、含氧量、盐度、pH值等随海洋的深度而变化，所以海水深度必然影响到全浸区金属的腐蚀行为。其中是最为主要的因素是温度和含氧量。全浸区中钢铁的腐蚀速度在0.07~0.18mm/a。浅海区海水氧处于饱和态，温度高，海水流速大腐蚀比深海区大，海洋生物会粘附在金属材料上。一般来说，20m水深以内的海水较深层海水具有更强的腐蚀性。海泥区主要由海底沉积物构成，含盐度高，电阻率低，因此是良好的电解质，对金属的腐蚀要比陆地上土壤要高。由于氧浓度十分低，所以海泥区的腐蚀比全浸区要低。如同潮差区和全浸区一样，在全浸区和海泥区之间也会因为氧的浓度不一样而造成                 浓差电池。泥线以下因为相对缺氧而成为阳极，加重腐蚀。

    海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。钢铁的腐蚀是一个电化学过程，表面失去电子发生阳极氧化反应，阴极保护法就是利用了它的电化学腐蚀原理，通过人为施加负向电流，从而使金属的表面的反应有原来的失去电子的氧化反应，成为得电子还原反应，从而使金属的腐蚀得到抑制。

二、阴极保护法的原理

    外加电流阴极防护系统就是通过外加电流，把电源正极连接在难溶性辅助阳极上强制形成阳极区；把电源的负极连接在受保护的钢筋上，强制形成阴极区。阳极与被保护的钢筋均处于连续的电解质中，使被保护的钢筋接触电解质的全部表面都充分而且均匀地接受自由电子，从而受到阴极保护。外加电流阴极保护技术不是被动防护，而是主动预防。并且保护年限根据要求进行设计，可延长钢铁的使用年限。因此从实际保护效果来看，外加电流阴极保护技术在防护期限和主动控制等方面具有显著的优势。

    外加电流阴极防护是以牺牲阳极为前提保护阴极，对阳极有以下要求：阳极电位要足够负；阳极溶解性能好；理论发电量大；同时对实际发生电量和电流效率有要求。因此选择合适的阳极可以有效的保护钢铁不被腐蚀，减少腐蚀造成的损失，尤其在海洋环境中有很好的作用效果。

三、阴极保护法的实例——舰船外壳的保护

    舰船在海上航行时, 舰船壳体、推进器、内舱、冷凝器和海水管路系统等部位都会发生腐蚀。舰船腐蚀的原因比较复杂, 是多种不同腐蚀形态共存的。其中最主要的原因是由于海水的含盐度高( 一般在33% ~ 37%), 舰船的金属材料与海水接触时, 会形成无数个微小原电池而引起舰船的金属腐蚀。腐蚀的后果是严重的, 受到海水及海面盐雾的侵蚀后, 舰艇的甲板及舰体, 每年需涂几次涂料进行防护。南海地区舰艇每次小修更换的腐蚀钢板达1 /3 , 中修换板率超过1 /2, 甚至新舰艇尚未服役即出现腐蚀等问题, 既增加了维修工作量, 降低了航率, 又造成了巨大的经济损失, 严重地影响了部队的战斗力。因此, 采用外加电流阴极保护有效地防止海洋环境下的舰船腐蚀破坏, 是当今世界各国的普遍做法。

    舰船的阴极保护历史悠久, 应用广泛。从20 世纪60年代开始, 阴极保护技术已经成为世界各国舰船必不可少的防腐蚀技术, 各国的科研人员正在对阴极保护系统的设备和材料及阴极保护理论和设计技术进行深入研究, 以期达到延长保护年限、提高阴极保护系统

的可靠性和自动化程度、降低保护费用的目的。阴极保护根据阴极给电流的方式不同可分为牺牲阳极法和外加电流法。对于舰船, 往往采用外加电流阴极保护系统, 这是因为: ( 1)智能化的恒电位仪能随

着外界环境的变化, 如不同海区的温度、盐度、风浪及动静态等的变化, 给出参比电极的信号, 自动调整保护电流, 使舰船始终处于良好的保护状态, 有利于缩短坞修日期, 延长进坞的间隔; ( 2)外加电流阴极保护系统安装阳极数量少, 对水流的阻力可忽略; 节约燃料和涂料; ( 3)对于潜艇来说, 在外壳装牺牲阳极以后, 航行时会产生可测得的声响, 影响其隐蔽性; ( 4)外加电流系统使用寿命长, 甚至可与舰船同寿命, 而牺牲阳极的使用寿命一般只有l~ 2 a, 消耗完后必须更换。外加电流的阴极保护系统在舰船上应用越来越广泛。

参考文献:

1．中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032;

2．上海申航基础工程有限公司，上海200122) 外加电流阴极保护技术对海港工程钢筋混凝土结构的防护；

3. 李 天（广州中港圣维可防腐工程有限公司，广东 广州 510530）外加电流阴极保护在港口钢结构工程的应用。