文 | 顏東洲 黃海 李春燕 中國(guó)工業(yè)防腐蝕技術(shù)協(xié)會(huì) 中石油西南油氣田分公司輸氣工藝技術(shù)研究所 濰坊亞星集團(tuán)建修處

一、陰極保護(hù)概述

陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)物表面施加一個(gè)外加電流，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。

陰極保護(hù)技術(shù)分為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)，目前該技術(shù)已經(jīng)基本成熟，廣泛應(yīng)用到土壤、海水、淡水、化工介質(zhì)中的鋼質(zhì)管道、電纜、鋼碼頭、艦船、儲(chǔ)罐罐底、冷卻器等金屬構(gòu)筑物的腐蝕控制。

二、國(guó)外陰極保護(hù)的發(fā)展

1.起源

1823 年，英國(guó)學(xué)者漢·戴維（Davy）接受英國(guó)海軍部對(duì)木制艦船的銅護(hù)套的腐蝕的研究，用錫、鐵和鋅對(duì)銅進(jìn)行保護(hù)，并將采用鐵和鋅對(duì)銅保護(hù)的相關(guān)報(bào)告于 1824 年發(fā)表，這就是現(xiàn)代腐蝕科學(xué)中陰極保護(hù)的起點(diǎn)。

雖然戴維采用了陰極保護(hù)技術(shù)對(duì)銅進(jìn)行保護(hù)，但對(duì)其工作原理卻并不清晰。1834 年，電學(xué)的奠基人法拉第奠定了陰極保護(hù)的原理；1890 年愛(ài)迪生根據(jù)法拉第的原理，提出了強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的思路。

1902年，K·柯恩采用愛(ài)迪生的思路，使用外加電流成功地實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的陰極保護(hù)。1906 年，德國(guó)建立第一個(gè)陰極保護(hù)廠；1910 年～ 1919 年，德國(guó)人保爾和佛格爾用 10 年的時(shí)間，在柏林的材料試驗(yàn)站確定了陰極保護(hù)所需要的電流密度，為陰極保護(hù)的實(shí)際使用奠定了基礎(chǔ)。

2.現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展

1928 年，被稱為美國(guó)“電化學(xué)之父”的羅伯特·J·柯恩（Kuhn）在新奧爾良的一條長(zhǎng)距離輸氣管道上安裝了第一套犧牲陽(yáng)極保護(hù)裝置，為陰極保護(hù)的現(xiàn)代技術(shù)打下了基礎(chǔ)。此后，陰極保護(hù)在美國(guó)和一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到快速推廣，并于1936 年成立了（美國(guó)）中部大陸陰極保護(hù)協(xié)會(huì)。

日本自 1953 年開(kāi)始，外加電流陰極保護(hù)得到了廣泛應(yīng)用，或許是由于日本海灣較多而輸油管道少的緣故，日本最先應(yīng)用陰極保護(hù)的領(lǐng)域是海灣工程領(lǐng)域。

至 1970 年底，美國(guó)已有 64 萬(wàn)公里的油氣管道采用了陰極保護(hù)，而原西德、原蘇聯(lián)等在修建管道的同時(shí)就安裝了陰極保護(hù)。

與此同時(shí)，陰極保護(hù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。1973 年，Strufull 等人將外加電流陰極保護(hù)應(yīng)用到美國(guó) 50 號(hào)國(guó)道位于加州斯萊公園的鋼筋混凝土公路橋上，開(kāi)辟了陰極保護(hù)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，此后，這種方法在國(guó)外得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)己經(jīng)認(rèn)可將該技術(shù)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的維修和保護(hù)。美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局（FIIWA）自 1975 年起，開(kāi)始將陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于鋼筋混凝土的停車庫(kù)、橋梁和隧道中，并于 1982 年指出：“陰極保護(hù)是已經(jīng)被證實(shí)的唯一能夠制止鹽污染橋面板腐蝕的維修技術(shù)，無(wú)論混凝土中的氯化物含量如何”。

陰極保護(hù)在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，相關(guān)技術(shù)也在不斷提高。1971 年，混合型金屬氧化物陽(yáng)極首次應(yīng)用于海水中，埋在海床泥漿中發(fā)揮著陰極保護(hù)作用。1973 年，太陽(yáng)能電池開(kāi)始為陰極保護(hù)裝置提供能源。1979 年布勞爾（Brauer）發(fā)表了使用有限元法進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的第一篇論文，1982 年菲尤發(fā)表了第一篇關(guān)于邊界元法在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)上應(yīng)用的文章。1983 年唐索（Danso）和沃恩（Warne）第一次采用“邊界元法”這一名稱對(duì)其在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)上應(yīng)用的原理進(jìn)行論述，并報(bào)導(dǎo)了應(yīng)用邊界元法的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)英國(guó)北海油田某一采油平臺(tái)進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功應(yīng)用。1985 年在加拿大安大略省的一座橋面板的陰極保護(hù)中首次使用了混合金屬氧化物鈦陽(yáng)極。1988 年美國(guó)加州公路局 Apostolos 首先在舊金山海灣一座跨?；炷翗蚨蘸蜆蛎姘迳显囉脟婁\層陰極保護(hù)。

3.相關(guān)法規(guī)的設(shè)立

1971 年，美國(guó)首次立法規(guī)定，對(duì)輸送危險(xiǎn)、重要物料的地下管線在施加涂層基礎(chǔ)上，必須實(shí)施陰極保護(hù)。第二年，也就是1972年，日本也設(shè)立了類似法規(guī)，規(guī)定油氣管道及儲(chǔ)罐必須采用陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐蝕。

1988 年，美國(guó)的環(huán)保法對(duì)地下儲(chǔ)油罐提出了相關(guān)的規(guī)定，要求所有的地下儲(chǔ)罐限期在 1998 年 12 月底前必須施加陰極保護(hù)，否則將受到處罰。

三、國(guó)內(nèi)陰極保護(hù)的發(fā)展

1.應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展

我國(guó)的陰極保護(hù)工作開(kāi)始于 1958年。其直接原因是當(dāng)時(shí)一條長(zhǎng)輸管道（克拉瑪依－獨(dú)山子輸油管道）埋地 11 個(gè)月就開(kāi)始穿孔漏油，最嚴(yán)重時(shí)每天都要穿孔幾次。1961 年將原管道停產(chǎn)并施加了陰極保護(hù)，施加陰極保護(hù)后，該管道連續(xù)運(yùn)行了 20 多年未出現(xiàn)漏油，1986年有關(guān)專家通過(guò)考察、分析、評(píng)估，認(rèn)定此管道還可工作 20 年。

1960年以來(lái)，我國(guó)先后在新疆、大慶、四川、勝利、華北等油氣田的地下輸油和輸氣管道工程中，以及在北京、上海、天津、哈爾濱、廣州、青島、濰坊、成都、重慶等十幾個(gè)大中城市新建的輸氣管線和輸水管線等工程中，均采用了陰極保護(hù)技術(shù)，獲得了明顯的防腐蝕效果。

1965 年，陰極保護(hù)技術(shù)在渾河水閘上試用，1966 年在江蘇的三河閘、射陽(yáng)河擋潮閘和安徽裕溪口船閘閘門上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)“涂料＋外加電流陰極保護(hù)及犧牲陽(yáng)極”的試驗(yàn)，取得了成功。開(kāi)啟了陰極保護(hù)在水利領(lǐng)域的應(yīng)用。

1978 年，福建三明無(wú)線電二廠的KKG 型恒電位儀研制成功，并獲得了全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)。同年，中石油管道設(shè)計(jì)院與撫順?shù)X廠開(kāi)展的鎂犧牲陽(yáng)極研制，陸續(xù)通過(guò)了技術(shù)鑒定，把我國(guó)的犧牲陽(yáng)極研究發(fā)展到實(shí)用化程度。而原六機(jī)部725 所（現(xiàn)中船重工集團(tuán) 725 所）開(kāi)發(fā)的船用犧牲陽(yáng)極的研制和船用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)，也獲得了 1978 年的全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)。

1980 年前后，我國(guó)開(kāi)始在電廠凝汽器上采用陰極保護(hù)。

1983 年，我國(guó)開(kāi)始對(duì)油井采用陰極保護(hù)生產(chǎn)試驗(yàn)，取得了良好的保護(hù)效果，為套管防腐提供了一種新的解決方法，也開(kāi)辟了陰極保護(hù)在油井套管中的應(yīng)用。同年 10 月 6 日，由當(dāng)時(shí)的國(guó)家建筑材料工業(yè)局水泥司和營(yíng)口市城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護(hù)委員會(huì)聯(lián)合主持召開(kāi)了“預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土輸水管道應(yīng)用陰極保護(hù)評(píng)議會(huì)”，1984 年 9 月，原國(guó)家建材局主持召開(kāi)了陰極保護(hù)在預(yù)應(yīng)力混凝土管道上應(yīng)用的部級(jí)鑒定會(huì)，推動(dòng)了陰極保護(hù)在鋼筋混凝土管道中的應(yīng)用。

1990 年，在遼陽(yáng)化纖公司開(kāi)展了我國(guó)首例在石化防爆廠區(qū)的地下管網(wǎng)陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用。該方案有當(dāng)時(shí)在該公司工作的高金吉院士主要負(fù)責(zé)。該次應(yīng)用成功突破了國(guó)際上外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在防爆廠區(qū)內(nèi)實(shí)施區(qū)域性陰極保護(hù)的禁區(qū)，開(kāi)辟了陰極保護(hù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。此后，深井陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)石化行業(yè)得到了迅速的推廣和應(yīng)用。

1997 年原武漢水利電力大學(xué)承接原國(guó)家電力公司下達(dá)的重點(diǎn)科研項(xiàng)目“接地網(wǎng)防蝕研究及應(yīng)用”，其中重要的研究?jī)?nèi)容之一就是在變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行接地網(wǎng)防蝕工程試驗(yàn)，以確定接地網(wǎng)陰極保護(hù)的可行性，為電力系統(tǒng)地下網(wǎng)的陰極保護(hù)開(kāi)辟了道路。

1998 年，鄭州市天然氣公司在全國(guó)率先采用對(duì)地下燃?xì)夤芫W(wǎng)采用深井陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)和分段預(yù)制陽(yáng)極體技術(shù)進(jìn)行保護(hù)，實(shí)施后每年創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益 580 萬(wàn)元。隨后，西安等城市也采用了類似技術(shù)，為地下燃?xì)夤芫W(wǎng)提供了保護(hù)。

2008 年，全球電器供應(yīng)商阿里斯頓在全球推出了使用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的電熱水器，取代了此前電熱水器中一直使用的鎂棒（犧牲陽(yáng)極）。目前，國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能熱水器巨頭皇明集團(tuán)等也在積極將外加電流陰極保護(hù)應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器中。陰極保護(hù)已經(jīng)不僅僅局限于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在民用領(lǐng)域，同樣市場(chǎng)空間巨大（估計(jì)在我國(guó)電熱水器領(lǐng)域，犧牲陽(yáng)極的市場(chǎng)達(dá)到20億元/年）。

2.專業(yè)公司的發(fā)展

1972 年，三明市無(wú)線電二廠（當(dāng)時(shí)為三明自來(lái)水廠熱工儀表車間）與中科院物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所合作，生產(chǎn)了我國(guó)第一臺(tái)恒電位儀—HDV-3 晶體管恒電位儀，這是我國(guó)首個(gè)外加電流陰極保護(hù)的正式產(chǎn)品。該廠后續(xù)生產(chǎn)的 KKG 型恒電位儀研制成功，成為我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)使用的陰極保護(hù)產(chǎn)品。2007 年，該廠由國(guó)有企業(yè)改制為民營(yíng)公司，企業(yè)更名為福建暢聯(lián)電子有限公司。

2000 年，我國(guó)第一家專門從事陰極保護(hù)的公司上海海諾科技發(fā)展公司成立，此前在中船重工 725 所工作的武烈先生擔(dān)任該公司總經(jīng)理（現(xiàn)武烈先生已去世），重點(diǎn)推廣深井陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)。同年 5 月 28 日，塔里木油田指揮部召集有關(guān)專家、技術(shù)人員召開(kāi)“塔中、桑解油田陰極保護(hù)改造施工方案評(píng)審會(huì)”，聽(tīng)取了海諾公司的方案論證和施工設(shè)計(jì)，確定采用深井陽(yáng)極技術(shù)。此后，深井陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)在鄭州燃?xì)夤芫W(wǎng)等多項(xiàng)工程中得到應(yīng)用。

2004 年，我國(guó)第一家專門從事陰極保護(hù)業(yè)務(wù)的中外合資公司中港 - 圣維可（廣州）防腐工程有限公司成立，中方為中國(guó)港灣建設(shè)（集團(tuán)）總公司和中港廣州四航工程技術(shù)研究院，外方為芬蘭圣維可集團(tuán)。該公司成立以來(lái)，為很多港口工程、大型橋梁等提供了陰極保護(hù)服務(wù)。2009 年，該公司改制為純外資企業(yè)。

2000 年以來(lái)，由于市場(chǎng)需求急劇增長(zhǎng)、國(guó)有體制改革、人員流動(dòng)及防腐蝕行業(yè)快速發(fā)展等原因，涌現(xiàn)了一批專門從事陰極保護(hù)的公司。從事陰極保護(hù)研究的科研院所，或者自己成立公司，或者人員流出成立公司，如中船重工 725所（原六機(jī)部 725 所）成立了青島雙瑞公司，中科院物構(gòu)所人員創(chuàng)辦廈門洗霸公司等，部分在中石化等大型企業(yè)中從事陰極保護(hù)工作的人員，也創(chuàng)立了自己的公司，如山東科特等。同時(shí)，隨著北京有色金屬研究院、中科院海洋所等單位的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，也誕生了一批專業(yè)生產(chǎn)犧牲陽(yáng)極的公司，其中一些公司的業(yè)績(jī)已經(jīng)頗具規(guī)模。而國(guó)內(nèi)防腐蝕市場(chǎng)的快速發(fā)展，也吸引著外資公司逐漸進(jìn)入中國(guó)，目前，一批專業(yè)從事陰極保護(hù)工程或生產(chǎn)輔助陽(yáng)極等陰極保護(hù)用品的日本、美國(guó)公司，已經(jīng)進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。

迄今為止，我國(guó)已有幾十家專門從事陰極保護(hù)工程的公司，服務(wù)對(duì)象涉及石油、石化、化工、船舶、橋梁、港口等領(lǐng)域。

3.技術(shù)的發(fā)展

1965年，中科院福建物構(gòu)所二部（原催化電化研究室）科技人員研制成功我國(guó)第一臺(tái) 10 安培晶體管恒電位儀。此后，我國(guó)恒電位儀的研制和應(yīng)用獲得較快的進(jìn)展，出現(xiàn)了專門生產(chǎn)恒電位儀的公司（如福建三明無(wú)線電二廠，近年來(lái)崛起的青島雅合公司等），促進(jìn)了大型油碼頭、采油平臺(tái)、水上鋼結(jié)構(gòu)物等海洋設(shè)施上成功應(yīng)用恒電位外加電流陰極保護(hù)。1976 年后，陰極保護(hù)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展步伐加快，很多設(shè)計(jì)研究院都取得了豐碩的科研成果，1978 年召開(kāi)了全國(guó)電化學(xué)保護(hù)會(huì)議，總結(jié)了各單位在應(yīng)用陰極保護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)，極大地推動(dòng)了我國(guó)陰極保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步。

1999 年，在北京召開(kāi)的由中國(guó)工業(yè)防腐蝕技術(shù)協(xié)會(huì)主辦的第一屆中國(guó)國(guó)際腐蝕控制大會(huì)上，德國(guó) SSS 公司演示了當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的陰極保護(hù)遙控系統(tǒng)，通過(guò)一部手提電腦和一部手機(jī)，利用電腦中的軟件直接控制德國(guó)法蘭克福北部一座天然氣管道陰極保護(hù)站的保護(hù)參數(shù)。這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)當(dāng)時(shí)給中國(guó)的陰極保護(hù)工作者不小的觸動(dòng)。如今，我國(guó)的科技人員也已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)此類操作。

4.相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1982 年，原石油部制定了陰極保護(hù)方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；1984 年，我國(guó)制訂了犧牲陽(yáng)極國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同年制訂了外加電流陰極保護(hù)的交通部標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的制訂和實(shí)施，為犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)方案的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了保證。

在 1989 年頒發(fā)的《石油、天然氣管道保護(hù)條例》中，明文規(guī)定：“埋地管道必須施加陰極保護(hù)”。同年 7 月 11日，我國(guó)石油天然氣總公司簽發(fā)了《油田陰極保護(hù)系統(tǒng)管理規(guī)定》，規(guī)定：“新建的外輸管道必須采用陰極保護(hù)，油、水井套管、集輸管網(wǎng)和供水管道應(yīng)采用區(qū)域性陰極保護(hù)，老鋼質(zhì)管道和儲(chǔ)罐在改造時(shí)應(yīng)逐步采用陰極保護(hù)”。

2009 年 11 月，經(jīng)第十一屆全國(guó)人大常委會(huì)第十一次會(huì)議審議，通過(guò)了《中華人民共和國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法（草案）》，將我國(guó)石油天然氣管道保護(hù)從部門條例上升為國(guó)家法律。在該法中，規(guī)定“管道，包括：（一）管道線路；（二）管道的陰極保護(hù)站、陰極保護(hù)測(cè)試樁、陽(yáng)極地床、雜散電流排流站等防腐設(shè)施……”。

目前，國(guó)家質(zhì)檢總局正在積極制訂相關(guān)安全技術(shù)規(guī)則，要求我國(guó)境內(nèi)的埋地鋼制容器和壓力管道必須采用陰極保護(hù)，以保障埋地鋼制容器和壓力管道的安全運(yùn)行。相信隨著該規(guī)則的制訂和實(shí)施，將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)陰極保護(hù)技術(shù)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。

四、結(jié)語(yǔ)

陰極保護(hù)技術(shù)作為一項(xiàng)效果好、應(yīng)用領(lǐng)域廣的防腐蝕技術(shù)，其使用效果已經(jīng)得到了大家的認(rèn)可。在我國(guó)，陰極保護(hù)最早主要應(yīng)用于石油化工、船舶等領(lǐng)域，近年來(lái)隨著東海大橋、杭州灣大橋、青島跨海大橋等跨海大橋的修建，在橋梁、港口等眾多領(lǐng)域都得到了推廣。相信隨著眾多領(lǐng)域?qū)Ωg控制的重視，經(jīng)過(guò)我們廣大防腐蝕工作者的努力，陰極保護(hù)將在我國(guó)得到更大發(fā)展，為更多構(gòu)筑物、設(shè)備提供防腐蝕保護(hù)。