海洋构筑物和海底管道阴极保护措施

  今天越来越多的海洋构筑物(即钻井和采油平台、钢板桩墙、船闸和其他港口设施)采用阴极保势，并目总是规定海底管道必须施加阴极保护。由于薄防层(见 5.1.1节、在水里的使用寿命很有限，一般来讲，前文提到的薄防腐层都无法修补，因此，在近海工程中这样的薄防腐层很少使用，并且几乎从不采用。人们为此进行了广泛的调研，并在山基础上制定了相应的规范来指导阴极保护的建立[1~3]在潮沙带和飞溅区，阴极保护通常是不太有效的。在这些部位，人们常用厚覆盖层或耐腐材料(如镍铜基合金)做成的防护套防止腐蚀[4]。覆盖层将承受很强的机械应力作用，必须在这些部位牢靠地附着在金属材料上，甚至能在海水飞溅的条件下实施修补。必须保证厚覆盖层在阴极极化作用下保持良好的稳定性(见17.2节)，并能耐受海洋生物紫外线照射和海水侵蚀[4,5]。与管道和港口设施不同，海洋平台处于动态负荷的作用下。因此，在选择钢材时，除了考虑机械强度和力学性能外，还必须结合实施阴极保护，考虑腐蚀疲劳和应变引发的应力腐蚀(见2.3.3~2.3.5节)。

16.1 阴极保护措施

  在海洋构筑物和海底管道上已经采用强制电流、牺牲阳极或者两种方法结合起来的阴极保护系统。表16-1列出了各种阴极保护方法的特性和各自的优缺点。对每一构筑物必须具体问题具体分析，实现保护措施的优化。例如，海洋平台实施强制电流保护中，维护和修理很困难，是需要研究解决的重点问题;而在港口设施中，这些问题可以忽略不计实施阴极保 护前，必须准确了解所要应对的腐蚀介质的特性。16.1.1 设计准则

  在腐蚀防护系统选择及保护电流的供给方面涉及大量参数，这些已在前文的章节里进行了叙述(见第6章和第17章)。特别是当固定式采油平台要安置在某个新地点时，了解有关参数是非常有用的，例如水温、含氧量、导电率、流速、化学成分、生物活性、砂的磨损情况等。必须在海洋里指定位置进行长时间的测量，才能确保计算的安全稳妥。

第2.4节里叙述了海水的保护电位。在管道与港口设施中，无覆盖层的碳钢或者覆盖层厚度超过1mm并且屈服强度达到800N。mm-2的钢材没有极限负电位U。但是，如果构筑物处于高度的动态负荷下，因为存在氢致应力腐蚀的危险(见23.4节)，这样的构筑物应当按照规范标准[1~3]的要求，达到表16-2所列的保护电位范围。

  在微咸水里，Ag-AgCl电极的参比电位必须根据氯离子含量进行校正(即离子浓度增大10倍，那么参比电位将朝正值方向偏移约50mV[6])。在屈服强度高于800Nmm-2的高强度钢的阴极保护中，极限电位U、必定比参比电位至少正0.1V，这不排除对个别情况进行必要的调整(见2.3.4节)。海洋构筑物的水下部分还包含机加工的不锈钢或有色金属部件，这些结构性部件必须以适宜的方式附装在构筑物上，以便对保护电位范围进行观察(见2.4节)。涉及多种材料时，可以采用适宜的牺牲阳极布置。

在确定所需要的保护电流时，应当隔开在水中和在海底的受保护的目的物的表面，并隔开与受保护的目的物电连通的外部结构的表面。表16-3列出的不同海域的保护电流密度是根据经验和实际测量得出的。只有在特殊情况下，才有必要在安装地点事先进行保护电流的测量，但是，这样的调查资料很难说明经过很长时间后保护电流的变化情况。如果选用适宜的覆盖层[4]，在开始使用前几年里的保护电流密度只有表16-3所列值的10%如果构筑物计划运行 30年，那么有必要达到表16-3所列值的大约50%。

  钢结构和管道与钢筋混凝土构筑物的加强钢筋或者必须实现电连通，或者必须实现电绝缘。假如它们互相电连通的话，应将大约5mA·m-2的电流密度加到外部加强钢筋上并且要按总的混凝土表面的面积进行计算。

对于在微咸水、港湾水和淡水里的构筑物，应当具体情况区别对待，并要参照从其他装置上获取的经验。由于港口设施通常很容易接近，所以如有必要可以将阴极保护装置向外延伸。

  在海洋构筑物的腐蚀防护中，常常发现随着水深度的增加，腐蚀速率大大减小，甚至在很深的水里，可以不考虑保护。在太平洋进行的实际调研结果就是这些见解的依据[7]然而，这些观点并不适用于北海和有油气钻采平台的其他海域。图16-1所示就是在北海进行实际测量的例子，由图可见，流速以及随其发生的含氧量的增加是导致保护电流密度变化的原因。海水流动速度加快，就使更多的氧运移到无覆盖层的钢表面，并由此决定了它的腐蚀速率(见4.1节)。图16-2所示是海洋平台电位随波浪高度的变化情况，此海洋平台是位于赫古兰西北80km的Nordsee研究平台。实际上，波浪高度受流速的间接影响，在短时间有暴风雨的时候，观察到电位明显向正值变化。平台支柱上有不同程度的海洋生物附着量，不断变化的含氧量与电位之间的关系[9]也可以被确定。图16-3所示是波浪高度与电位的同步变化，即使波浪高度只有很小的变化，也能看出电位随之发生变化。

  实际上，在记录这些曲线时，假设所有其他参数都保持恒定不变，电位变化与波浪高度之间才有这样的间接关系。这些电位也会变得比保护电位Ucucuso,=-0.85V更正。但

是，这是无害的，对表16-2的值没有什么影响。

至今人们还没有对海洋生物和硫酸盐还原菌对30年或更长的使用寿命可能产生的影响进行充分的研究。随着时间的推移，海洋生物会有显著变化，它们能够改变腐蚀防护的条件，而且在某些情况下，甚至能够改善防腐状况。钙质沉积物的形成不是阴极极化的结果，而是海洋动物沉积所致。进行检查时(或者沉积物太时)，必须局部清除这些海洋生物附着物，特别是在构筑物的节点上。然而这只适用于小面积，而不是整个构筑物表面。目前人们还没有在海洋生物、硫酸盐还原菌和阴极保护三者之间的相互影响上取得一致看法，尚不知是否可以用阴极保护充分缓解在硬质沉积物下面的硫酸盐还原菌所引起的腐蚀。通过随机抽样试验，人们可以了解它们在平台外表面上的特性。在平台无法接近的部位(如在内有不流动的水的平台支柱内部或在钢桩与支柱之间)检查简直是不可能的，在这些有腐蚀危险的部位应当采用覆盖层防腐。

16.1.2 牺牲阳极保护

第6章详细说明了牺牲阳极的组成和驱动电压以及它们的材料、大小、用途等，在海上构筑物的标准规范里也有相应的规定[1~3]。牺牲阳极总有个外露的钢芯便于焊接，或者用电缆与管道连接，即使是出于修理目的，也不允许采用螺纹连接。不宜采用镁阳极，因为它们在海水里自腐蚀严重。通常在海洋平台上安装铝阳极，而在舰船、港口设施和储罐上安装锌阳极。

  应当提供近海和港口地区用的所有阳极的化学组成，以及它们的电容量(A·h·kg-1)和电流输出(A)[2,3]，根据这些参数确定阳极的几何形状和需要的阳极数量。只有在特殊情况下才需要根据接地电阻进行大量的设计计算，因为实际上存在太多的不确定因素在确定阳极的质量和数量时，还应有相应的安全余量。16.1.3 强制电流保护

第7章说明了用于强制电流辅助阳极的材料、它们的消耗率与使用寿命。第17章所述舰船用的保护电流设备的资料，也适用于海洋平台。在这些构筑物上使用强制电流系统时，在规划阶段需要格外周到考虑，因为以后进行修理需要的费用非常高。特别是必须恰当设计水下的电缆安装架，绝对避免它们被波浪和冰块运动以及行船造成机械损坏。保护电流设备应当尽可能靠近阳极安装，但是实际情况并非总是可能。因此，海洋平台未必都能够非常成功地实施强制电流保护。