1、防腐镀层

•在海洋结构物中，还有一种常用的防腐蚀方法是镀层防腐技术。这些用于延长钢铁基体使用寿命的耐蚀性镀层可以是纯金属镀层、合金镀层，也可以是金属基复合镀层，每一种镀层都以其特有的方式保护基体金属免遭腐蚀。

•尽管耐蚀性镀层多种多样，但是，从其作用机理上看，依据镀层金属在腐蚀性环境中与基体金属之间的电化学关系，可以将其简单地分为两大类--阴极性镀层和阳极性镀层。

(1)、阴极性镀层:

对于钢铁基体金属而言，阴极性镀层(如铜、锡、镍镀层等)是以形成机械保护膜的方式将腐蚀性环境与基体金属隔开，从而保护钢铁基体免遭腐蚀。

但是，如果阴极性镀层本身存在缺陷(如孔隙、裂纹、磨损等)，其保护作用就会显著降低，甚至还有加速基体金属腐蚀的可能性。因此，镀层的完整性及其在腐蚀性介质中的稳定性是决定其耐蚀性高低的关键因素。

(2)、阳极性镀层:

对于钢铁基体金属而言，阳极性镀层(如锌、镉镀层等)是以机械保护或以牺牲自己保护基体(自身优先腐蚀)的双重保护方式防止基体金属发生腐蚀。

当镀层无缺陷时，镀层对基体起机械保护作用;当镀层有破损时，阳极性镀层则代替基体金属优先发生阳极溶解、从而阻止或减缓基体金属腐蚀的速率。因此，阳极性镀层在腐蚀介质中的电化学特性、腐蚀产物的稳定性、致密性是决定其耐蚀性好坏的重要因素。

•与阴极性镀层不同，阳极性镀层具有双重保护基体金属免遭腐蚀的能力。正因为如此，人们总是希望选用阳极性镀层作为钢铁材料的保护层。对于钢铁材料而言，最常用的阳极性镀层是锌镀层和镉镀层。

1)锌镀层

早在20世纪20年代，人们就开始使用氰化镀锌工艺或酸性镀锌工艺进行工业化镀锌生产。由于镀锌层本身是阳极性镀层、经过钝化处理的镀锌层具有更好的耐蚀性、镀锌生产成本低廉等一系列优点，直到如今，钢铁镀锌仍然是最常用的防止黑色金属发生腐蚀的方法之一。

2)隔镀层

•在中性的大气腐蚀环境中，虽然镀锌层对钢铁基体有较好的防腐蚀性能，但是在更为苛刻的腐蚀性环境中(如海洋性大气环境等)服役的装备，人们倾向于选用具有更好耐蚀性的镉镀层作为钢铁基体的防腐蚀镀层。

•镀镉层只能用在锌镀层不能满足耐蚀要求、且不与人体或食物相接触的场合(镉与镉的化合物都是剧毒物质)。

•镉及其化合物昂贵的价格也是镀镉工艺的应用范围受到限制的重要原因之一。

3)锌基合金镀层

为了研制出耐蚀性比锌高，毒性比镉小的无毒或低毒代锌、代镉镀层，自20世纪80年代起，以锌作为主要组成元素的锌基合金电镀工艺及其耐蚀性的研究方兴未艾。

结果表明，作为阳极性防腐镀层，锌基合金镀层有可能成为最有希望的代锌、代镉镀层，其中，锌-铁合金、锌-钴合金、锌-镍合金镀层是研究最多的三类锌基合金镀层。

2、镀覆方法:

① 结构或设备表面的镀覆可采用电镀、热浸镀、热喷镀等方法。

②镀前表面处理、镀覆中和镀后处理应符合有关工艺技术条件的规定。

③镀层质量应符合CCS的标准检验。

④接触海水、水泥浆、钻井泥浆等侵蚀性介质的平台结构或设备表面，一般不宜采用锌镀层保护。如采用锌镀层保护，则在镀层表面应涂装专门的底漆和面漆。

阴极保护施工

1、概述

•海洋平台飞溅区以上使用涂装或镀层保护，是非常有效的保护方法。

•但对飞溅区以下，特别是全浸区的保护，就不那么安全可靠。如漆膜破损，会引起局部严重腐蚀和腐蚀疲劳。

•因此，全浸区一般不单独使用涂料涂层保护。实践证明，涂装加阴极电化学保护，才是完美的保护方法。

•六十年代初，我国开始研究阴极保护方法，六十年代末期在船舶，闸门等钢铁构筑物上得到应用。

•我国埋地油气管道的阴极保护始于1958年，六十年代在新疆、大庆、四川等油气管道上推广应用，目前，全国主要油气管道已全部安装了阴极保护系统，收到明显的效果。

--海洋钢结构在海水中发生的腐蚀是电化学反应。当电化学腐蚀发生时，金属表面存在隔离的阴极与阳极，有微小的电流存在于两极之间，形成原电池。

--在海水中钢结构由于成分不均一，在金属表面形成了局部的阴极区和阳极区，形成无数微小的原电池。阳极不断溶解遭到腐蚀。

--原电池三要素:

1)电极电位不同的两电极;

2)两电极必须在同一电解质溶液里;

3)两电极间必须有导线连接。

(1)、阴极保护原理

1)、腐蚀电位或自然电位:

--每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位(自然电位)。

--腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位愈负愈容易失去电子。

我们称:失去电子的部位为阳极区。

得到电子的部位为阴极区。

--阳极区由于失去电子(如，铁原子失去电子而变成铁离子溶入海水)受到腐蚀，阴极区得到电子受到保护。

2)参比电极

--为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。参比电极是一种在类似于测量条件下恒定的电极，用来测量其它电极的相对电位。

饱和硫酸铜参比电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，在阴极保护领域中得到广泛采用。

阴极保护的原理:是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，使金属表面各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。

有两种办法可以实现这一目的:

--牺牲阳极阴极保护

--外加电流阴极保护

(2)、牺牲阳极保护法

--根据金属电化学腐蚀原理，将电位更负的活泼金属Al、Zn 等合金固定于钢质结构物上,两者以海水为介质,构成了一对阴、阳极,依据金属电化学原理将腐蚀掉Al、Zn 合金金属,达到保护钢质结构物的目的。

应用:保护小型平台、小型储罐、海管等。

--优点是:

(1)保护系统不需外加电源，

(2)不需特殊照管;

(3)不易产少杂散电梳。

--缺点是:

(1)功率小;

(2)阳极有效作用半径小;

(3)所得到的电能成本高;

(4)电流输出量受工作表面积大小的限制;

(5)导线电阻和介质电阻对电流输出量影响大;

(6)牺性阳极的体积和重量均较大。

(3)外加电流保护法:

将要保护的钢铁设备作为阴极，另外用不溶性电极作为辅助阳极，两者都放在电解质溶液里，接上外加直流电源.

通电后，大量电子被强制流向被保护的钢铁设备，使钢铁表面产生负电荷(电子)的积累，只要外加足够强的电压，金属腐蚀而产生的原电池电流就不能被输送，因而防止了钢铁的腐蚀.

应用:保护大型平台、大型储油罐。

优点是:

(1)电流电压可调性好，可随外界条件变化实现自动控制;

(2)输出功率大，可满足金属结构需要大功率保护的要求;

(3)根据保护的需要，可随时进行工作或停止工作

(4)辅助阳极保护半径大，数量少;

(5)重量较小。保护系统初始投资大，安装较复杂，

缺点是

(1)日常维护管理费用大;

(2)阳极电缆和支架要严格绝缘;

(3)设备发生故障，保护系统即停止工作

(4)易于引起杂散电流。

总结分析:

一般小型平台，采用牺牲阳极保护比较经济，而大型导管架平台，采用外加电流阴极保护比较合理。

近来研究和试验表明，采用两种方法联合保护，已取得良好效果。特别是在结构复杂、管节点处受遮蔽的地方得不到充分保护时，在外加电流系统中加装牺牲阳极是个好办法。

一般情况下，阴极保护的费用只占被保护金属结构物造价的1%~3%，而结构物的使用寿命可以成倍甚至几十倍地延长。

•由于阴极保护具有设备简单、施工方便、保护时间长等优点，近年来得到迅速的发展和广泛的应用，是一项投资少、效果好、经济效益显著的适用技术。

2、阴极保护参数

(1)、腐蚀电位或自然电位

--每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位(自然电位)。

(2)、保护电位

--最小保护电位:钢铁获得完全保护时的绝对值最小的值。

--最大保护电位:将电位控制在比析氢电位稍高的电位值，此电位称为最大保护电位。(在阴极保护条件下，允许绝对值最大的负电位值)

--所谓析氢电位是指在阴极保护中，当阴极电位被极化负到一定程度时，溶液中的氢离子在阴极夺取电子而成为氢分子析出，这时的电位称为析氢电位。析氢会使涂层起泡脱落，也可能使钢材产生氢脆，所以阴极保护电位不能越过析氢电位。

--超过最大保护电位时称为"过保护"。

(3)极化电位:

--在断掉被保护结构的外加电源或牺牲阳极0.2-0.5秒中之内读取的结构对地电位。

(4)、最小保护电流密度

--使被保护的结构表面电位达到最小保护电位时，所需的保护电流密度值。

--保护电流密度的大小，取决于环境，如海水的盐度、氢溶解量、海流速度、金属表面状态、是否有涂层、阳极的分布、阴极沉积物等情况，都明显地影响保护电流密度。

--下表是参考值挪威船级社给出的用于保护电流密度选择的参考值表中给出了一些主要海区和特殊环境下三类最小设计保护电流密度值。初始电流密度值是用于确定新阳极所需的电流输出量，最后的电流密度值，是用来确定当阳极被消耗到利用系数时，所必须的电流输出量。平均电流密度，用来确定阳极的数量。

3、阴极保护准则

--通电情况下，海水中的钢结构最小保护电位为-0.85~-0.95V

--最大保护电位不得低于-1.1V。

--极化电位与自然电位差不得小于100MV

4、阴极保护设计

①计算和决定阴极保护系统所需的保护电流、保护电位和所需功率

②外加电流保护系统中供电系统设计。

③设计阴极保护系统各零部件及安装的结构。

④牺牲阳极保护中阳极材料选择，尺寸.数量的计算，并决定在结构中的布置

⑤拟定阴极保护系统的使用管理办法。

5、阴极保护材料

(1) 牺牲阳极材料

1)对牺牲阳极材料的要求:

--导电性能好，电流发生量大，在海水中自蚀最小，消耗速度慢，使用寿命长

--具有良好的机械性能和加工性能;

--重量轻，体积小，安装方便;

--材料来源丰富，价格便宜。

2)牺牲阳极的种类

牺牲阳极最常用的有镁合金、锌和锌合金以及铝合金。

由表可知，镁阳极发生电流量大，重量轻，电位低，但电流效率低(自蚀量大)，因而消耗量也大，寿命短，使用中的海洋平台无法更换，所以平台上基本不用，主要使用锌和铝的合金阳极。

--锌合金与铝合金阳极相比较，锌合金阳极重量大，成本高;铝合金的电流发生量大约是锌合金的3.6倍，价格便宜，资源丰富。

--铝阳极适用于保护船舶和海洋结构物,而锌阳极则主要用于保护舰船、海管等结构物。

3)牺牲阳极几何形状、尺寸

--影响牺牲阳极几何形状和尺寸选择的因素很多，如结构的外形、需要保护面积的大小、介质的电阻率、安装难易、使用是否可靠、阳极发生电流量、使用年限等。

-- 海上导管架常用的为圆形、方形或梯形截面条状阳极，一般根据长度与重量比、表面积与重量比，选用不同大小的形状。每块质量通常在50~200kg。

(2) 、外加电流阴极保护阳极材料

辅助阳极--与强制外加电流的正极相连，仅限于导电为目的电极。

1)对辅助阳极材料的要求

--导电性能好、载流密度高

--有良好的化学和电化学稳定性，消耗率低，寿命长;

--机械性能好，便于加工制造和运输安装

--价格便宜，综合费用低

2)辅助阳极材料的种类

--铅银合金、铅银铂符合材料、高硅铸铁和镀铂钛。

3)辅助阳极的形状与几何尺寸

阳极外形要与阳极布置形式相配合，以适应结构保护的需要，使结构各部分能得到均勺而高效的保护。平台常用阳极的形状，多数为棒状和板状:其形状与安装方法有很大关系，

--阳极尺寸的大小，应使其具有足够的表面积，一般外加电流辅助阳极数量比牺牲阳极少，但输出电流量比牺牲阳极大，电流分布效率低，一般为0.67~0.80之间。这些辅助阳极，可设计为每个阳极输出30~200A电流(典型牺牲阳极每块发生电流，通常为3~6A).

6、阴极保护施工

(1)、牺牲阳极的布置和安装

1)阳极与平台之间要有可靠的导电连接,规定安装距离,在总体上做到均衡布置,以便达到所要求的保护电位;

2)阳极、阳极铁心和其支架应具有足够的连接强度,以承受波浪、潮流、打桩就位时的施工载荷,

3)阳极体表面严禁沾染油污、涂装油漆。

4)阳极可采用焊接法或螺栓固定法安装，其中常用的安装方式:

挂板固定法、挂钩固定法、角钢固定法、螺栓固定法

--为了重点保护结构节点，防止点蚀和焊缝热影响区的腐蚀，阳极应距节点近些。

--了改善电流分布，每个阳极都应安装在至少离结构表面300mm的地方。若阳极紧靠构件安装，阳极背面应涂上绝缘屏蔽层。

--若阳极直接焊在平台结构上，可在建造厂进行。对于悬挂式阳极，一般在平台海上就位后再安装。

(2)、外加电流保护法设计与施工

1)、外加电流阴极保护系统的组成

①输出低压直流电的电源一一自动恒电位仪

②用来排出阳极电流的辅助阳极;

③可连续测量平台保护电位的参比电极。

自动控制电源--自动恒电位仪:

--自动控制电源是一种自动控制电流输出的低压大电流电源。输出电压12-24V，并根据外界条件的变化，经自动控制装置随时调节所需保护电流，使保护电位在最佳范围之内。

辅助阳极:

--作用是从阳极排出保护电流，流经海水达到被保护的金属结构(平台)的表面。阳极排流过程也有溶解过程，所以阳极的重要特性是排流量和消耗率。消耗率是排出单位电流时，单位时间内阳极材料的消耗量。

2)辅助阳极的布置

近阳极布置法:

通常是采用许多小阳极分散安装在结构的支撑构件上，这种布置方法的特点是:安装简单，操作方便，结构表面电流不均匀时易于调整，保护范围比较固定。但所需阳极块数量较多，电流调整工作量大，电流消耗大。

远阳极布置法:

--是用少数的阳极，安装在离平台结构较远的位置。布置远阳极的目的是分散输出电流，使其均匀分布在整个被保护的结构表面上，从而避免了靠近阳极处的过保护现象发生。

--这种方法的最大优点是用少量的阳极，保护面积较大的结构，电流分布比较均匀。但电流分布不均匀时不易调整。远离平台的辅助阳极固定比较麻烦，电缆易损坏。为避免电缆损伤，通常把电缆放在套管内。

7、防腐系统的检查和维护

(1)、 涂层

1) 大气区的涂层应在平台年度检验时进行检查，并应根据损坏程度予以局部修补、整新或全面重新涂装。

2) 飞溅区结构如采用涂层保护时，则涂层应每年检查一次，损坏部分应尽快予以修补。

3) 具有阴极保护的水下结构的涂层，在检查阴极保护系统的同时也应予以检查，检查结果应按规范要求将记录保存。

4)飞溅区结构采用特种防腐系统保护时，对其保护效果至少每年要进行一次直观检查。防腐系统如有损坏，则应及时予以修复。

(2)、 阴极保护

1) 阴极保护系统投入运行之后，对阴极保护的效果应进行定期检查。测量和评价阴极保护的效果可采用下列方法:

①测量被保护构件的电位--被保护构件的电位应符合规范的规定;

②直观检查--潜水员目测、水下摄影、水下电视等所反映的平台腐蚀状况不得超出使用年限允许的范围;

③腐蚀挂片检查--试片腐蚀形态和速率应在平台使用年限所允许的限度之内。

对于牺牲阳极保护的结构，应一年进行一次电位测量，对于外加电流保护的结构应一个月进行一次电位测量。直观检查和腐蚀挂片的周期可根据需要确定

2) 参比电位的准确度应定期检查。测量电位时，参比电极应尽可能靠近待测的平台结构。

3)阴极保护系统交付使用后，应对其运行的可靠性进行定期检查:

①对牺牲阳极保护系统，应检查阳极溶解状况、机械损伤情况等，这种检查应在平台特别检验时进行;

②对外加电流阴极保护系统、电源设备运行状况，如输出电流(包括各辅助阳极分路的电流)、电压、功率消耗等，至少应每一个月检查一次;辅助阳极、电缆和参比电极的工作状况，应在平台年度检验时进行检查。