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朱锡昶:共话阴极保护技术 迈向海洋深处
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朱锡昶:共话阴极保护技术 迈向海洋深处

【摘要】:
近些年来,国际上关于阴极保护的进展主要在技术发展和工程应用方面,阴极保护设备、材料和配套装置等日臻完善,检测、监控技术和管理系统更加先进,应用领域不断扩大,相应地各国先后制定了一系列阴极保护规范和标准。为了全面了解阴极保护技术的发展、在工程领域里的应用状况以及其标准的制定,以探讨海洋工程阴极保护技术未来的发展趋势,本刊记者邀请了国家能源局南京水科院研究所腐蚀与防护研究室主任朱锡昶教授做相关方面的精

  近些年来,国际上关于阴极保护的进展主要在技术发展和工程应用方面,阴极保护设备、材料和配套装置等日臻完善,检测、监控技术和管理系统更加先进,应用领域不断扩大,相应地各国先后制定了一系列阴极保护规范和标准。为了全面了解阴极保护技术的发展、在工程领域里的应用状况以及其标准的制定,以探讨海洋工程阴极保护技术未来的发展趋势,本刊记者邀请了国家能源局南京水科院研究所腐蚀与防护研究室主任朱锡昶教授做相关方面的精彩解读。

  

  朱锡昶教授,长期从事港工、水工金属结构钢筋混凝土结构腐蚀与防护的研究工作。主持过国家公关及部级重点科研项目,主持过各类工程应用项目,他研究的“水工钢闸门牺牲阳极保护技术”成为水利部重点推广项目在全国推广应用,他主持制定或参与制定过电力行业标准《水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程》,新能源行业标准《海上风电场钢结构防腐蚀标准》、国家标准《大气环境混凝土中钢筋的阴极保护》等等。下面请随记者进入精彩访谈。

  记者:您长期从事水工、港工钢与钢筋混凝土结构腐蚀与防护研究工作,请您谈一下阴极保护技术中在我国港工、水工工程中应用的发展历程,目前有哪些关键的阴极保护技术?

  朱教授:1834 年法拉第发现了腐蚀质量损失与电流之间的定量关系,为阴极保护奠定了科学理论基础。1890 年爱迪生提出采用强制电流保护船舶的设想,1902 年K. 柯恩成功实施了船舶的外加电流阴极保护。1828 年美国“阴极保护之父”罗伯特J. 科恩真正把阴极保护用于长距离输气管道的工程上,并提出了保护电位、保护电流密度等技术参数。

  美国,西德、法国、日本等相继从五十年代开始,在海港工程上应用外加电流阴极保护技术。日本在1953 年名古屋港万吨级泊位上成功实施了外加电流阴极保护码头钢板桩。

  我国从六十年代起开展阴极保护的研究工作。首先在江苏三河闸、安徽巢湖裕溪口船闸钢闸门、浙江乌溪江中型水电站引水钢管内壁等水工钢结构上进行“涂料加外加电流阴极保护”的试验,取得了成功。开启了阴极保护在水利工程领域的应用,并获得了1978 年全国科学大会奖。

  1974 年由南京水利科学研究院、中科院海洋研究所、交通部三航局科研所、上海新康玩具厂组成攻关小组,1975 年完成对陈山原油码头379 根钢管桩的外加电流阴极保护。1975 年起对钢板桩码头进行外加电流阴极保护试验研究,1977 年对连云港新建的两个万吨级泊位的钢板桩码头实施外加电流阴极保护,经过维修改造至今仍在继续使用,取得了良好的保护效果。

  上世纪30 年代至五十年代,前苏联、德国、英国、比利时等国家先后采用牺牲阳极技术控制埋地管道的防腐蚀,1945 年起加拿大就广泛采用锌阳极保护海洋船舶。在1966 年和1967年, 美国DOW 化学公司先后成功的研制了GalvalumI 阳极和GalvalumII 阳极,使得铝合金阳极在海洋工程中得以广泛使用。

  在我国八十年代初随着经济的发展,有色金属冶炼工业的进步和铝合金牺牲阳极材料的研发成功,牺牲阳极阴极保护技术得到了推广应用。1985 年在湛江港进行了牺牲阳极发射电流、阴极保护成膜等实验研究,成功的对湛江港800m 长钢板桩码头实施了牺牲阳极保护。1986 年对丹东港大东港区3 号泊位钢管桩进行牺牲阳极保护进行设计,1988 年7 月实施完成大型钢管桩码头的牺牲阳极阴极保护。

  阴极保护技术得益于电偶腐蚀的发现,即牺牲阳极保护的雏形,成功和发展于外加电流阴极保护技术。但外加电流保护技术因有众多的电缆、电极及仪器设备,受外界环境影响因素比较大,易于损坏,管理、维修管理工作繁多,大多港工、水工阴极保护工程均因管理问题而导致停用或失效。因此,阴极保护技术普及于牺牲阳极。目前在我国大多港工、水工钢结构广泛采用无需管理维护的牺牲阳极保护。水利部将钢闸门牺牲阳极保护技术列为“水利部科技成果重点推广项目”,并被认定为水利先进实用技术进入“水利先进适用技术重点推广指导目录”。

  港工、水工钢结构阴极保护技术已日趋完善、成熟,目前重点需要研究和解决的是混凝土中钢筋的阴极保护。钢筋混凝土结构是目前应用最为广泛的结构形式,氯化物引起钢筋腐蚀造成钢筋混凝土结构,如海洋大桥、海港码头、沿海建筑物、使用除冰盐的高速公路和化工厂厂房等,过早发生破坏的现象在普遍存在,而且维修和更换困难,由此造成的直接损失和间接损失都十分巨大。1973 年美国首次将阴极保护技术成功应用于受盐污染的钢筋混凝土桥面板的保护,保护效果已为大量的工程实践所证实。一致认为对于钢筋腐蚀造成破坏的钢筋混凝土结构物,阴极保护是唯一长期的有效保护措施。

  80 年代中期,交通部“六五”攻关项目“海工钢筋混凝土上部结构强制电流阴极保护试验研究”课题中,在国内率先开展了钢筋混凝土阴极保护试验研究,获得了大量的室内试验资料和现场应用经验,但目前钢筋混凝土阴极保护技术还没有得到广泛的推广和应用,还常采用传统的局部凿除的方法进行维修。需要进一步更为广泛深入细致的开展工作,要使得该技术更为简洁、经济、可靠、有效。

  记者:对港工、水工钢结构, 由于长期浸泡在海水中,不可避免地遭受海水的强烈侵蚀。为保证结构的正常使用并延长使用寿命,必须采取保护措施,而选择经济有效的保护方案非常重要。请您谈一下阴极保护技术在其中的应用以及意义。

  朱教授:青岛港在1948 年选用美国柏利恒钢铁公司生产的ZP38 式钢板桩,建造了388m 长万吨级码头,1951年投入使用,到1964 年就发现钢板桩多处腐蚀成洞,码头漏砂不止,1981 年不得不将该码头报废重建,远低于结构的预期寿命。港工钢结构处于海水、淡水、淡海水或干湿交替的环境中,在电化学作用下不可避免地遭受腐蚀,使得构件断面减少、腐蚀穿孔,物理力学性能下降,桩基变形,上部塌陷,结构承载力下降,安全度降低,影响结构安全运行,使用寿命缩短,不稳定因素增加和造成巨大经济损失。

  金属的腐蚀是由于腐蚀电池的作用,属于电化学腐蚀。阴极保护法是一种从根本上抑制电化学腐蚀的方法。阴极保护不仅可以防止水下钢结构的均匀腐蚀,而且还能有效防止各种局部腐蚀,如点蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等,使被保护结构物的使用寿命成倍延长,具有保护效果好,投资少,经济效益明显等特点。

  外加电流和牺牲阳极阴极保护两种方法均适合于港工、水工钢结构物的保护,各有其优缺点,一般应根据保护面积、结构形式,水质状况,管理水平以及初期投资加以选择。

  目前水利水电工程腐蚀状况较以前更为严重,主要是水质污染加剧。水质污染造成pH 值变化较大,有害离子增多,水体电阻率降低,加速了金属结构的腐蚀;另外水质污染造成水中溶解氧减少,而发生厌气性微生物增殖,产生硫化氢等加速了金属的腐蚀。严重污染水域钢的腐蚀速度是无污染地区的几倍甚至几十倍。其次是目前设计的一些水利水电金属结构,为保证预埋件的耐蚀性,往往会采用一些不锈钢构件,如闸门导轨板、底坎、止水压板以及不锈钢螺栓等,不锈钢同钢闸门以及同闸门表面的喷锌(铝)层有0.3V ~ 0.6V 的电位差,形成电偶腐蚀电池,不锈钢构件得到保护,钢闸门或喷锌(铝)层加速腐蚀,涂层早期失效的事例经常发生。对于在污染水质及异种金属接触的状况下,采用阴极保护更为合适和需要。

  记者:您主持过各类工程应用项目,承担过国家多个大、中型工程的科研项目,解决了众多关键性的技术难题,在这众多工程应用项目中,请您分享一下您的感受。

  朱教授:总体来说,近年来对一些大型工程,腐蚀与防护越来越重视。但还存在着一些问题。

  首先我国的防腐蚀专业人才还普遍不足,各设计院专业从事腐蚀与防护的人员少之又少,大多都为兼职,管理使用单位也大多没有设置专业防腐蚀的技术岗位。一个大型工程的使用寿命、维护维修工作量、结构安全性的保障和工程最初的防腐蚀设计及日常技术管理是紧紧关联的。考虑周全,措施得当,技术可靠,保护寿命长的防腐蚀方案会得到事半功倍的效果。欧美国家一般把防腐蚀设计、管理作为独立的一部分,而又全过程的融合在管理系统之中,值得我们借鉴。

  其次,我们的大多业主和管理部门更倾向于被动的腐蚀控制,初期为节省投资最先减少的是防腐蚀的投资,当出现严重腐蚀时再保护处理,而不是前瞻性的预防性的采取措施。国外学者曾提出“五倍定律”的说法,在新建钢筋混凝土结构防护方面减少投资1 万元,发现钢筋腐蚀时就立即采取防护措施,此时花费5 万元,等到混凝土顺筋开裂时修复、防护,则需要25 万元,再到混凝土大面积脱落、钢筋严重腐蚀、承载力明显下降时再进行修复、加固、防护处理,则需要125 万元。前瞻性的预防性的防护措施是非常重要的。

  再次,防腐蚀质量有待提高。其中包括管理者水平和要求,防腐蚀材料的质量,施工人员的素质和验收的程序、标准等。印象比较深的是上世纪90 年代我国新建的某个10 万吨级码头,钢管桩采用环氧沥青涂层,用指甲都能把涂层抠下来,几乎就是沥青,经过装船、吊装、施打涂层破坏达到20%,经询问大约每平方米不到60 元人民币,防腐蚀效果可想而知;同期在国外码头考察时,同样是钢管桩桩基,车间加工好环氧沥青涂层,锃亮、牢固,打桩后几乎看不到任何破损,造价达到每平方米60美元。不是我们做不好,做不到,而是重视不够,重量不重质,要求比较低。

  记者:您主持制定过很多行业标准,参加过有关国家标准的制定,请您谈一下制定行业发展标准,对于阴极保护技术的发展有哪些重要的推动作用?

  朱教授:2003 年财富(Fortune)杂志选出5 项排名第一的趋势是标准化(Standardization)。标准是国民经济和社会发展的重要技术支撑。标准在经济、生活及各个方面中所起的作用越来越大,同样对阴极保护技术的影响作用也很大。

  一、标准的制定推动了阴极保护的发展和普及。在交通行业JTJ230-1989“海港工程钢结构防腐蚀技术规定”发布之前,我国港口采用阴极保护技术的屈指可数,规范规定了阴极保护的计算方法,参数选择,材料性能要求等,使得更多的专业技术人员能够掌握和运用该项技术。目前钢桩桩基没采用阴极保护技术的少之又少;同样在水利行业之前的SL105-95“工金属结构防腐蚀规范”没有把阴极保护作为主要防腐蚀措施写进规范,全国几乎很少的水工结构采用阴极保护,在SL105-2007 改编后增加了牺牲阳极保护措施,目前闸门、拦污栅等水工钢结构采用牺牲阳极保护的越来越多。

  二、标准的制定有利于提升行业防腐蚀水平。阴极保护具有投资少和保护效果好的特点,对水下金属结构的防腐蚀具有不可替代的优势。水利行业的钢闸门,淡水闸门每隔3 ~ 5 年就要进行喷砂除锈,涂刷油漆,挡潮闸2 ~ 3 年就要对涂层进行维修,有的甚至每年都要做局部维修。维修期间产生大量粉尘,释放有害的VOC,造成对空气和水质的污染,采用阴极保护可以达到15 ~ 20年不用涂装和维修,既减少了经费的投入也减少了对环境的污染,同时提高了设备的使用性和安全性。把阴极保护列入行业规范,提升了整个行业的防腐蚀技术水平。

  三、规范的制定有利于质量的控制和提高。日本著名质量管理专家石川馨教授在总结日本质量管理经验时说,“没有标准化的进步,就没有质量的成功”。规范、标准本身就是一种技术法规,大多规范都把技术要求和验收标准列入条款,就成为各方必须共同遵守的技术依据,也具有法律上的约束性。规范的制定便于检查、验收,有利于阴极保护工程质量控制和提高。

  记者:请您谈下未来阴极保护技术的发展趋势?

  朱教授:在我国阴极保护使用已有50 多年的历史,该技术已日趋成熟和广泛应用,并都取得了良好的保护效果。当然任何技术的发展都是无止境的,阴极保护技术需要更加规范化、施工安装简便化,运行更可靠,做到无人值守,无需管理。

  一、深海阴极保护技术的研究。中共十八大报告提出提高海洋资源开发能力,发展海洋经济,建设海洋强国。开采海洋中的石油天然气及各种矿产资源,建设深海风电等,混凝土结构往往力不从心,需要使用大量的钢结构。而阴极保护技术在深海环境中的行为研究还较少,如风浪大、流速快、环境恶劣,深海中难以形成阴极保护产物膜等。涉及到保护标准,保护电流密度的取值,以及阳极保护半径等技术参数的研究。

  二、气相环境下阴极保护技术。阴极保护广泛用于土壤、水下等环境,大气环境下的腐蚀更是面广量大。气相环境下阴极保护技术就是不依赖电解液(水)在没有持续电解液的大气条件下,把阴极电流加到被保护结构物或设备上,提供防腐蚀保护。国外相继开发出混凝土中钢筋阴极保护,汽车阴极保护等技术,并得到广泛应用,在我国起步较迟,应用还不广泛。

  三、基于数值计算的阴极保护技术。早期阴极保护的参数确定,主要靠室内试验,现场试验,目前还是依靠经验公式和经验数据来确定一些参数,由于环境条件的变化误差较大,需要更为精确的计算和设计。前人已做了大量的研究工作,但还没有公认的简洁的设计计算方法。

  四、智能化检测和控制。腐蚀普遍性、隐蔽性、渐进性和事故突发性,腐蚀控制效益的滞后性和间接性,有时不能被直观的了解和重视。随时监控腐蚀状况,腐蚀对结构的承载能力的影响,对重要建筑物和设备是十分必要的。对阴极保护的保护电位、保护电流的输出及保护效果进行监控,体积小、精度高的传感器研发,自动保护,无人值守,自动报警,显示故障原因和自动切换和修复,还需要进一步的研究和发展。

  后记:阴极保护作为港工、水工构筑物重要的防护措施,已有上百年的历史,随着阴极保护技术在深海环境中的行为研究的深入,相信会不断地涌现出新技术、新产品、新方法、新思路!

  人物简介

  朱锡昶,1957 年出生。水利部交通运输部国家能源局南京水科院研究所腐蚀与防护研究室主任,教授级高级工程师。

  长期从事港工、水工金属结构钢筋混凝土结构腐蚀与防护的研究工作。主持或参加国家公关及部级重点科研项目10 余项,多项成果经部级鉴定,分别达到国际领先、先进或国内领先水平。主持过各类工程应用项目百余项,为国家多个大、中型工程进行了科研、设计和咨询工作,并负责承担多个国际合作项目。研究成果“水工钢闸门牺牲阳极保护技术”作为水利部重点推广项目在全国推广应用,取得了良好的社会效益和经济效益。

  主持制定或参与制定电力行业标准《水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程》,新能源行业标准《海上风电场钢结构防腐蚀标准》、《水电工程金属结构涂层强度拉开法测试规程》、水利行业标准《水工钢结构防腐蚀规范》、国家标准《大气环境混凝土中钢筋的阴极保护》。编著出版了《混凝土中钢筋的阴极保护》、《桥梁钢筋混凝土结构防腐蚀》、《混凝土结构腐蚀控制- 锌与锌合金的应用》、《水闸安全评估与分析》、《水利水电工程水工结构腐蚀及案例分析》等专著。在国内核心期刊或国际会议交流发表论文100 余篇,其中在“Materials Performance”等国际期刊上发表SCI 论文14 篇,获得水利部大禹奖一等奖一项,获交通部科学技术奖二等奖一项、三等奖一项。