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闫永贵:潜入深海世界 精益求精做好阴极保护设计
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闫永贵:潜入深海世界 精益求精做好阴极保护设计

【摘要】:
我国在海洋油气田开发、港口建设、跨海大桥、海底管线、船舶工程和深海勘探等领域已建和在建大量的各种海洋钢结构及钢筋混凝土结构设施。这些海上设施广泛分布在我国沿海一线和南海、东海等重点海域,贯穿海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底泥土区等不同的海洋腐蚀环境,遭受十分严重的腐蚀破坏。海洋腐蚀及生物污损严重威胁着这些重大工程设施安全运行。多数海洋工程结构处于裸露或欠保护状态,海洋工程结构安

  我国在海洋油气田开发、港口建设、跨海大桥、海底管线、船舶工程和深海勘探等领域已建和在建大量的各种海洋钢结构及钢筋混凝土结构设施。这些海上设施广泛分布在我国沿海一线和南海、东海等重点海域,贯穿海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底泥土区等不同的海洋腐蚀环境,遭受十分严重的腐蚀破坏。海洋腐蚀及生物污损严重威胁着这些重大工程设施安全运行。多数海洋工程结构处于裸露或欠保护状态,海洋工程结构安全堪忧,腐蚀损失巨大。如何保证各种海洋工程设施的耐久性和安全性,降低重大灾害性事故发生,延长这些重大工程设施使用寿命?本刊记者邀请中国船舶重工集团公司第七二五研究所闫永贵研究员做相关方面的精彩解读。

  

  记者:随着深海开发的进行,海洋腐蚀环境更加严酷,请您谈一下在深海环境下,阴极保护技术对深海装备的重要意义是什么?请介绍一下,目前我国深海装备阴极保护技术的发展情况。

  闫研究员:随着深海资源的开发,对于深海装置的服役寿命来讲,阴极保护技术的作用也越来越重要,其具有材料和涂层防护技术无法替代的作用。

  深海环境一般指海水深度大于200m的环境,与一般常见的水环境、土壤环境相比,深海服役环境具有独特的特点:

  维修保养要求高。按照相关的标准规范进行装置的维护非常困难,即便有可能,其维修保养的代价也是非常巨大的,即便可行其操作也极其复杂,要求也非常高,费用也非常巨大,如需要配套的船只、水下机器人等,每天的费用都是很惊人的;更换代价巨大。在这样的环境下,深海装置的更换代价巨大,甚至是不可能的,为此深海装置的要求非常高,在设计寿命周期内最理想的状态是一次性的,或者说是永久性的。

  深海环境腐蚀因素具有不确定性。在深海环境中,除了一般说的腐蚀因子外,如温度、压力、溶解氧、盐度等,深海环境也可能由于季节的变化、洋流的变化、地壳的变化等而发生巨大变化,导致局部的腐蚀环境也可能发生变化,对材料的损伤也可能是事先没有考虑到的。阴极保护技术是通过向被保护结构物提供外加的直流电流来避免周围电解质环境对材料的侵蚀作用。这项技术的特性决定了其在深海装备中腐蚀防护中具有积极的重要的作用,是强制性的必须采取的腐蚀控制措施。其作用主要有:1)一是抑制材料的腐蚀,通过施加电流使被保护结构的电位负移,从而抑制腐蚀的发生;2)与涂层保护相互补充,避免涂层针孔下的腐蚀;3)可以有效的控制意外情况的腐蚀,如施工过程中涂层的损伤、服役过程中外力的损伤等。

  深海阴极保护技术的发展是随着海洋资源的开发而发展的,主要是因为腐蚀环境的变化具有其独特性,从而衍生出深海阴极保护技术这种说法。其实从阴极保护原理和方法来看没有什么划时代的发展,但是根据深海环境的腐蚀特性的变化、使用材料的变化、深海环境的变化,深海阴极保护应用技术有了其独特的发展。国际上深海资源的开发早于我国,因此深海阴极保护技术的发展也就比我们国家早,国外是上个世纪80 年代左右开始用于深海装置,当时我们国内尚未开展相关的研究。我们国家这方面的研究是从本世纪初随着我国深海的开发才开始,早期的深海阴极保护技术都是采用国外的,从经济上看付出了高额的费用。通过近20 年的发展我国该领域也取得了长足的进步,从阴极保护设计、材料、施工和维护以及基础研究等方面都取得可喜的成绩。主要体现在以下几个方面:

  1) 阴极保护材料方面,铝合金牺牲阳极发展了冷水铝合金牺牲阳极、低电位铝合金牺牲阳极、铝镁复合牺牲阳极;从结构形式来看发展了镯式铝合金牺牲阳极、免焊接的可更换的铝合金牺牲阳极组、张力式外加电流用辅助阳极组、沉底式辅助阳极床、浮动式辅助阳极组等;2) 设计方法方面,由以前的半经验半计算的设计方法发展为基于边界元的精确设计方法,目前逐渐被大家所认可,在相关的工程中也逐渐得到应用;3) 设计准则上,根据使用的高强钢、不锈钢等制定阴极保护的准则;4)评价技术上,开展了实验室模拟技术和实海评价技术。实验室模拟技术最高可以模拟7000m 的深海,评价了牺牲阳极阳极的电化学性能,溶解形貌等,评价了相关材料的腐蚀行为,评价关键结构的局部腐蚀和保护效果。在实海评价技术方面,实现最深达到3000m的实海评价。

  记者:您模拟过深海环境下高强度船体钢的阴极保护准则的研究,请您分享一下标准的制定对深海装备阴极保护技术的应用有什么样的意义?

  闫研究员:阴极保护对金属材料在腐蚀介质中腐蚀的抑制作用,目前已经得到各行各业的认可,从标准上也实现了强制的执行。但是随着深海资源的开发,材料的应用也呈现了新的特点,高强钢、钛合金、高强不锈钢、不锈钢/低合金钢复合结构材料等的应用越来越多,这就提出一个新的问题,常规的阴极保护设计准则是否合适的问题, 因为阴极保护有三种状态,一是常规可以有效控制的阴极保护状态,二是腐蚀速率高于许可值的欠保护状态,三是导致氢析出的过保护状态。在过保护状态下是非常危险的,尤其是高强钢,氢析出导致氢致开裂的危险性大大增加,一旦发生那将是灾难性的,是绝对不允许发生的。早期阴极保护的设计准则是通常保护电位是负于850mV,但最负不能超过1200mV,对于含有硫酸盐还原菌(SRB)的环境保护电位负于-950mV,在干燥的土壤环境中采用极化100mV 的判据。在2008 年修订国标的时候考虑了屈服强度大于550MPa 的高强度钢以及不锈钢等材料。其实阴极保护准则是比较复杂的事情,现有的规范和标准只是给了一个通用的准则,实际应用过程中往往需要特殊考虑,需要准确的确定。在深海环境下,其使用材料的特殊性、服役环境的特殊性、对设备要求的特殊性,阴极保护准则的准确性显得尤为重要。阴极保护准则是阴极保护设计的基础,准则不准确,会导致阴极保护设计的有效性降低;准则不准确,可能导致灾难性事故的发生;准则不准确可能导致整个系统的实效。因此,针对深海装置和深海环境,深海阴极保护技术的发展,阴极保护准则的研究确定要先行,这是深海阴极保护技术发展的重要基础之一。只有制定有效的阴极保护准则,才能保证阴极保护的有效性、可靠性,安全性。

  记者:目前深海装备阴极保护技术有哪些关键的技术,呈现出哪些发展趋势?

  闫研究员:根据深海环境的特点和深海装置的需求特点,深海装备的阴极保护技术主要有以下几个关键技术:

  1)深海环境阴极保护有效性的评价技术。深海环境阴极保护有效性的评价技术分为两类,一是实验室内模拟评价技术;二是现场阴极保护有效性的评价技术。阴极保护实验室模拟评价应该把握两个方面,一是环境因素,一是材料因素。在材料确定的情况下,环境因素是主因,实验室内如何有效模拟实海的环境腐蚀因子是关键,同时也要建立有效的实验室结果和实海试验结果的相关性。这决定了阴极保护设计输入的正确性。随着溶解氧、温度、压力、盐度等单一和多因素连续控制技术的发展,研究人员对结构材料腐蚀行为和阴极保护材料特性的规律把握的深入,实验室评价结果与实海测试结果相关性会越来越好。深海装置施加阴极保护后,保护效果如何是业主非常关心的。通常做法是将参比电极置于被保护结构物的表面附件测量保护电位,保护电位在消除IR 降后的值在保护准则内,认为阴极保护就是有效的。但是对于深海装置,现场阴极保护效果有效性的评价非常困难,受多方面因素的制约。对于深海装置阴极保护效果的评价,一直是业界努力的工作方向。根据这种情况,近几年国家重大项目、相关行业给予了大力支持,发展了深海装置阴极保护效果的现场评价的技术,这些技术的应用效果还需要有待进一步验证。国内多家单位都在努力,随着电子技术的发展、机器人技术的发展以及水下通讯技术的发展,深海装置的阴极保护有效性的实海评价技术会越来越完美。

  2)深海环境阴极保护精确设计技术。根据深海装备的发展需求,常规的阴极保护设计肯定是不能满足要求,我国海洋装备中的一些案例也证明了这一点,有些装备的阴极保护设计寿命远远达不到设计寿命。深海环境阴极保护精确设计技术包括两个方面,一是保证不同阴极保护阶段的深海装置处于最佳保护状态;另一方面又可预估阴极保护的有效期,保证设计寿命大于装置的实际使用寿命。阴极保护精确设计技术的关键有两个方面,一是边界条件的有效性,二是结构设计和分格的准确性,其中边界条件的准确输入取决于实验室模拟评价的有效性。在这方面需要专业人员进行深入准确度研究,目前人们认为买个软件就可以设计,这是大错特错的。

  3)深海阴极保护安装技术。对于深海阴极保护系统的安装,初期安装随着装备的建设相对比较容易实现,这里主要指阴极保护装置的再次安装,也就是阴极保护系统的更换。从目前深海装置的发展历程来看,深海装置存在两种情况需要更换牺牲阳极,一是延期服役,二是初期阴极保护系统失效。阴极保护系统的二次安装技术是目前的关键技术,因为阴极保护系统的安装受多方面的限制和制约。阴极保护系统与被保护结构的电连接的长期有效性、牺牲阳极能够持续发出保护电流、辅助阳极能够稳定发出电流等关键环节需要保证。国内早期是引进国外的安装技术,目前国内也发展了相关的安装技术,但是这些技术的有效性需要进一步的验证。

  记者:您多年从事阴极保护的科研工作,请您介绍一下对您印象深刻的科研经历和典型案例,并发表一下您的感受。

  闫研究员:自1998 年博士毕业以后,我一直从事阴极保护技术研究及应用的相关工作,已有近20 个年头了,涉及的领域包括阴极保护的原理、阴极保护材料的开发、阴极保护设计技术的发展、阴极保护技术的推广应用,承担了国家级、省部级、实验室基金等项目有20多项,实际推广的项目也很多。在从事阴极保护科研和应用的过程中,有几件事情非常值得怀念,想起来都是满满的记忆,这些美好的记忆也成为我一生从事科研的温暖。我承担第一个国家级项目是2001 年参与了国家十五科技攻关项目“城市燃气管道安全保障关键技术研究”,负责了埋地燃气管道外覆盖层评价方法研究和阴极保护有效性评价方法的专题。当时我刚刚进入该领域,承担这样的项目还有些小小的激动,重担在身后需要学习的方面就很多。如何顺利完成课题是摆在面前的困难,博士研究期间研究方法不适用于解决工程实际问题,查查文献不能解决问题,而且当时国内城市燃气管网的发生刚刚开始,事故不断发生,阴极保护尚在推广阶段,希望借此解决问题,可以借鉴的经验很少。为此我自己制定了一个走访国内中型和大型的城市20 个计划,列出一个名单,提前做了一个详细的调研计划,认真请教老师傅弄清需要那些问题需要了解。带着这些问题就上路了,当时多数城市没人介绍,直接闷着头去找,怀着一颗坦诚的心和想解决问题的想法跟人去交流,出人意料,结果非常理想,受到了每家燃气公司的热情招待。你能想象,一个刚刚出道的学生到知名的公司去,公司高层亲自接待,组织人员跟你对接,认真交流吗?通过调研掌握了第一手的工程实际面临的问题和迫切的需求,也通过该项目的研究使我对阴极保护这个领域有了全面的认识,掌握了目前的发展动态,对我以后阴极保护的研究提供了可靠的支撑,开阔了我的视野,后来延伸出我在国内比较早的开展相关研究,如基于GPRS 信息技术的阴极保护检测技术,基于GIS 阴极保护检测管理平台、分布式阴极保护技术,同时也调整自己科研的思维,在后来的研究中能够有的放矢地开展研究,提出的项目命中率会很高,在以后研究的职业生涯中,提出的问题几乎百分百会得到支持,如后来的深海阴极保护技术、低电位牺牲阳极、深海牺牲阳极、交替环境评价技术、深海模拟评价技术等。这段经历使我获得了从事工程科研的方法和思路,我想这是进军一个新领域应该具备的素质,这个经历对刚刚毕业的学生来讲可能有点借鉴作用。根据这次经历,我也养成一个真心对待向我提问的每一个人,不管他是谁。第二个经历是低电位牺牲阳极的开发,开展该研究之前也是查阅了相关的资料,活化机理也基本了解清楚,国外的研究也基本掌握了,初期信心满满的,但是开始第一轮实验后却事与愿违,设想与结果相去甚远。在停止还是继续的选择中,我选择了继续探讨。通过仔细分析后,调整实验设计的方法,初战告捷,最后一路追击,取得圆满结果。在该领域获得了自主知识产权和全国腐蚀大会优秀论文,在工程实际中得到推广应用。通过该项研究,我悟出了一个心法,方法论非常重要,不管你做什么。

  记者:您多年从事阴极保护技术研究,您认为阴极保护技术的发展还需要做哪些方面的努力?请您谈一下对年轻人的期望。

  闫研究员:至今阴极保护的发展和应用已经有几百年了,能够用电化学进行准确量化和解释的历史也有100 多年了,从事该领域的应用和研究的人员也越来越多,甚至快成为柜台产品了,有人甚至感叹阴极保护的研究基本穷途末路了,我不这么认为。深海环境的开发和新材料的应用为阴极保护的研究和应用带来了新的春天。深海装备为阴极保护技术的发展提出了新的要求,主要体现在以下几个方面:

  1)阴极保护设计的精确性。目前阴极保护的精确设计已经从经验到量化,从有限元发展到边界元了,方法是越来成熟了,但是初始条件的有效性研究才刚刚开始。边界条件的准确性关系精确设计的有效性,因此对于精确设计需要从不同材料不同结构模型的建立、边界条件的影响规律、全寿期的模拟验证等方面开展深入的演研究。对于边界条件,除了深海环境特点需要考虑外,装置中各种材料同时并存也要高度重视,有常规的材料,也有高强度材料,也有正电位材料,如何统筹兼顾的实现整个装置的阴极保护完整性,需要进一步开展深入的研究。

  2)环境因素的作用机制需要考虑。对于深海环境,尤其我国南海的环境,可燃冰、石油天然气等资源比较丰富,可能导致深海的局部环境的腐蚀性也有其独特性,目前出现的早期阴极保护失效的现象发生需要引起重视。因此不同的环境因子的监测,环境对材料的腐蚀行为的影响、环境对牺牲阳极性能的影响等都需要开展深入的研究。

  3)阴极保护负效果因子的积累。目前国内已经发生过几起材料氢致开裂的失效现象,对于不同的阴极保护状态,不同的材料体系,不同的结构形式,需要深入的研究阴极保护过程中氢的行为,尤其是长期的累积效应和对材料性能的影响行为,同时也需要发展相关的检测评估技术。

  4)阴极保护准则的深化研究。阴极保护准则即决定于材料本身,也受环境影响,材料目前相对了解的多一些,对于深海环境,目前除了常规的腐蚀因子外,对于实际深海环境腐蚀因子的了解不是很多,尤其是海泥与海水界面及两侧的环境了解更少,其对材料的行为研究也就更少了,目前急需开展这方面的研究。

  后记:深海环境的开发和新材料的应用为阴极保护的研究和应用带来了新的春天,随着深海资源的开发和利用,相信阴极保护领域将会更广阔的前景,进入该领域的年轻人在阴极保护基础理论和应用方面会取得更好更大的成绩!

  人物简介

  闫永贵,中国船舶重工集团公司第七二五研究所,博士,研究员,硕士生导师,主要从事电化学技术保护及应用、水下电磁场控制与检测、深海腐蚀与防护评价技术及腐蚀检测技术与评价方法、电化学防污技术等研究与应用。编写国家标准3 项,国军标2 项,发表科技论文50 多篇,参译著作1 部,获得发明专利9 项;获得省部级奖励多项,其中国防科工局科技进步二等奖1 项,获中国腐蚀学会科技进步一等奖1 项,国家质量监督检验总局科技兴检二等奖2 项,中国船舶重工集团公司科技进步三等奖2 项。

  作者:王妮

  来源:中国腐蚀与防护网