海洋设备腐蚀与防护实例

第九章海洋设备腐蚀与防腐 第一节水下设备的防腐蚀 1 船龙骨及龙骨螺栓船龙骨是船底下的压舱设备 其作用是使海船有重而低的重心 以便在大风大浪中保持稳定 1 钢铁龙骨 航海快艇的船外压舱龙骨通常用铸铁制成 铸铁龙骨应注意两点 防止生锈 龙骨的防锈主要采用防蚀涂料法 选择恰当的龙骨螺栓 2 铅制龙骨 铅龙骨的成本高于钢铁龙骨 但铅的比重高 耐蚀性好 3 混凝土龙骨 这种龙骨材料必须有充分的强度 并在很重的负荷条件下不开裂 混凝土中水泥的碱性有助于防止发生缝隙腐蚀 4 龙骨螺栓装配时的注意问题 龙骨螺钉的强度和牢固性十分重要 第一节水下设备的防腐蚀 负荷值应为实际负荷值的30倍以上 通常小型船只上只要使用5个以上的粗大螺栓固定龙骨 而不使用众多的细小螺栓 龙骨螺栓应在龙骨的对称轴两边参差排列 而不能完全排列在龙骨中心线上 如图9 1所示 图9 1龙骨螺栓的装配 第一节水下设备的防腐蚀 2 船内压舱物3 船尾设备设在船尾的尾轴套管 螺旋桨和旋转轴都可能相互接触 故在挑选材料时应注意要避免发生电偶腐蚀的问题 1 螺旋桨轴 适用的材料有青铜 蒙乃尔合金 不锈钢和钛合金等 通常耐蚀性愈好的材料的成本也愈高 不锈钢轴常用在玻璃钢船上 但藤壶的吸附常引起其点蚀 在使用橡胶盘根时 在轴静止一段时间后 轴上面对橡胶盘根的矩形凹槽部位因严重缺氧而发生点蚀 如图9 2所示 图9 2船停泊时不锈钢轴面对盘根部分易于发生点蚀 图9 3推进器轴的锥面和螺纹处的密封 为防止不锈钢轴的点蚀 应保证轴的锥形部分的紧密 避免在A点形成锥形孔和在B点出现粗糙的切削痕迹 在安装时应充填大量防锈润滑油或密封材料 此外还应避免在C点出现锐角或凹槽 在轴的锥形区及螺纹处 可以用密封材料或防水油脂 防锈润滑油 充填 如图9 3所示 第一节水下设备的防腐蚀 2 螺旋桨 锰青铜成本低而强度高 可用作螺旋桨 防止其脱锌腐蚀的办法类似黄铜轴 3 尾轴套管及尾轴支架 这些设备可以由黄铜或青铜制成 在黄铜设备上可以安装一个锌制的牺牲阳极以避免或减少脱锌腐蚀 4 海水旋塞 海水旋塞应完全用炮铜 硅青铜或镍铝青铜制造 4 舵和舵栓低碳钢制的板舵比较价廉 但流线型较差 其常用的防锈方法是在涂布防蚀涂料后 再用牺牲阳极保护 对于大型的舵 最好先用热熔喷射法镀锌 然后再涂油漆 第一节水下设备的防腐蚀 5 活动防浪板船只侧面的活动防浪板通常由低碳钢制成 有时也可镀锌 其枢轴螺栓 卷扬机的齿轮及升降滑轮和轴承架部件特别容易发生严重腐蚀 其腐蚀程度取决于金属表面的互相摩擦及其在海水中的浸没时间 在这些部位 镀锌层或保护性防蚀涂料都会因摩擦而剥落 从而暴露出的裸钢 就会很快被海水所腐蚀 使这块活动防浪板上的孔迅速扩大 如图9 4 图9 4钢制活动防浪板在枢纽螺栓处和升降点的腐蚀问题及其防护措施 第一节水下设备的防腐蚀 6 紧固零件螺栓 螺母 垫片 铆钉和旋塞等固定用零件 是海洋设备防腐蚀的关键 紧固零件的腐蚀问题可以分为三类 非金属设备相互固定 如木材和玻璃钢等 金属和非金属之间的固定 金属和金属之间的固定 可能用作紧固零件的耐蚀金属有 铜 船钉和弯头螺栓 硅青铜 铝青铜 略有脱铝腐蚀 镍铝占铜 NAB 炮铜 铜镍合金 蒙乃尔合金 略有点蚀的可能性 镍铬合金 因科镍合金和钛合金等 耐蚀性较差的材料有 镀锌 或镀镉 的钢铁 不锈钢 黄铜和锰青铜 其中黄铜和锰青铜易于脱锌 发生事故 应尽可能避免把它用作紧固零件 除非是充分加砷的三七海军黄铜 第一节水下设备的防腐蚀 紧固零件和被固定设备若由不同金属所组成 则应注意互相绝缘 以防止电偶腐蚀 紧固零件的面积通常比被固定设备小得多 为了避免绝缘的麻烦 通常 两者由同种材料制成 或者 使紧固零件的惰性比被固定设备稍高一些 四种金属的电极电位不能差得太远 举例如下表 第一节水下设备的防腐蚀 7 铝制舷外动力设备铝制船只通常使用铝制船外发动机等动力设备 防止铝的电偶腐蚀是十分重要的 故应注意下列各点 整个船只不能使用含铜 氧化亚铜 的防污涂料 宜用不锈钢制造螺栓及其他紧固零件 铝船上不得使用铜合金 木船和玻璃钢船上有时如使用铝制船外动力设备 则在离铝设备30 60厘米范围内不能有铜合金设备或紧固零件 如存在铜合金 必须在铜合金外涂敷环氧类绝缘漆 比铝惰性大的设备 即在60厘米以外处 也应保证绝缘 例如冷却水竹中应使用橡胶接头 驱动轴也应注意绝缘 谨防电腐蚀 防止各种杂散电流进入设备中 第一节水下设备的防腐蚀 使用锌制的牺牲阳极 只能防止电偶腐蚀 并不能保护铝 如发现耗尽 要及时更换 正确使用防蚀油漆 如环氧类及聚氨酯类 但不能使用红丹之类含铅的防蚀油漆 及防蚀润滑油 同时必须注意铝的阳极氧化表面处理 第二节甲板上和船舱内的设备 1 甲板上的金属设备甲板上的金属设备有系缆柱 绞车 导滑车和通风筒等 这些金属设备对耐蚀性的要求稍低于水下设备 但是 装饰性方面的设备要求则稍高于水下设备 某些设备还有较严格的耐磨蚀性要求 2 驾驶台 支柱和救生索这些设备的常用材料是不锈钢 镀锌钢和铝合金等 镀锌钢管可用来制造驾驶台和支柱 但在焊接区可用热喷法重新镀锌 或者涂以富锌底漆 最后 在整个设备上涂布含有适量锌的油漆 就可以保证多年无锈蚀 3 地滑车 仪表板和铰链等地滑车 设在甲板上的滑车 及其和船上联结的铁链通常是镀锌的 但近来也有使用不锈钢链的 在出现锈蚀后 可以重新热熔浸镀锌 注意不要使用铜制钩环 4 起重桅杆用海洋级铝制成的桅杆必须经过阳极氧化处理 并必须注意防止电偶腐蚀 例如 在铝桅杆上若设置青铜的系缆柱 则必须使用塑料 或橡胶 填板绝缘 并使用不锈钢的螺栓固定 如图9 5所示 图9 5青铜设备必须和铝桅杆或铝甲板绝缘 5 绳索和索具1 绳索 海上绳索通常用镀锌钢丝或不锈钢丝所制成 2 夹索螺旋夹具 这种设备的有腐蚀疲劳开裂的危险性 还可能在绳索和夹索螺旋夹具之间出现异种金属接触的电偶腐蚀 以及因设计不良 加工技术不良而发生的各种腐蚀 在壳体入口处附近的有螺纹的轴部最易发生断裂 因为这一部分金属的横断面最小 应力也比较集中 因此 选用的夹索螺旋夹具应和绳索相匹配 蒙乃尔合金绳索适用于不锈钢的夹具设备 而镀锌的绳索只要用镀锌的螺旋和钩环即可 3 钩环 钩环材料既不能太软 也不能太脆 并应注意不要出现过高的负荷 否则易于因销钉弯曲而断裂 4 柄脚和链板 这些部件需要长期的耐久性而不损坏 故其强度应为绳索强度的许多倍 因而其尺寸也就应大一些 第三节船壳防腐蚀 1 钢制船壳钢船成本低 通过现代化的油漆技术 喷锌和喷铝技术 阴极保护和防污技术 使锈蚀和生物吸附的危害明显减轻 从而提高了钢船的实用价值 钢船强度高 不易漏水 船壳的钢板厚度以4 6毫米为宜 船舱用钢板厚度以2 5 3毫米为宜 在船舷上 应谨防出现凹穴和积水坑 各种子平板的边缘都应倒去锐角磨去焊珠以保证油漆均匀分布 如图9 6 7 7和7 8所示 在甲板上 应尽可能减少附设装置的个数 并使其结构简单化 最好的钢船应是看上去清洁而无杂物 支柱的四周不应有障碍物 图9 8 以便进行排除积水 清洗和重新涂油漆等操作 所有设备的螺栓不要直接固定在甲板上 而应固定在 个基架构件上 图9 5 以便于在今后的检修中易于搬动这些设备 图9 6不良的焊接处及未倒去的锐角使防蚀油漆不能充分发挥作用 上述防蚀设计原理可应用到船舱内部 船舱内排水特别重要 在船舱的纵向加强板间 所有空隙宽度应在25厘米以上 以免出现毛细管现象而积水 舱内冷凝水珠 应能迅速流下 以防止结露腐蚀 船舱加以通风可使冷凝的水珠很快干燥 保温设备应有直接触在涂了油漆的钢板上 保温设备和钢船先之间不应有间隙 钢船壳本身也易于发生电偶腐蚀 应防止钢船和比它惰性的金属相接触 船内应让使用双线输电系统 不得使用地线作回路 以防止电腐蚀 2 铝制船壳铝船壳由海洋级铝制成 现代的海洋级铝在海水中及海面上的腐蚀速度不大 其表面可能会发生斑点或砂粒 但只要涂布适当的油漆就能避免这种腐蚀 其工艺类似于镀锌材料 即脱脂 涂防蚀底漆 再涂普通防蚀油漆 船内比较干燥的部位可以不涂油漆 油漆中不得含有铅 例如红丹漆不能用 铜或汞 含铜和汞的防污涂料应禁用 在铝船上不得设有木制甲板 否则会引起严重的腐蚀 防止电偶腐蚀对钒船最为重要 任何比铝更加惰性的金属设备 如龙骨 龙骨螺栓 推进器 转动轴 舵和海水旋塞等 都应该绝缘 其中推进器 舵 尾轴套管和海水旋塞等应尽可能由铝制成 以便节省这种麻烦的绝缘工艺 在水面上及在甲板上的异种金属之间也必须进行电绝缘 只有不锈钢 蒙乃尔合金和镀锌制品在适当条件下 可不必完全电绝缘 发动机冷却管可使用短的金属软管和海水旋塞连接 整个发动机在安装时应和船壳绝缘 在电气设备方面 应安装双线输电系统 而预防电腐蚀也十分重要 燃料箱和水箱可以和船壳直接联接而不涂油漆 但在顶部应放一块活动板 以便每几年清洗一次 铝船不能和钢制栈桥及钢的海洋浮桥或码头设备相互有电接触 更不能停泊在包铜皮的船只附近 使用塑料的护板或合成纤维的绳索有助于这种绝缘作用 铝的腐蚀疲劳性能比钢差 易于发生疲劳开裂 在推进机的上部支板上 系链钩上或发动机的支架上都易于发生腐蚀疲劳开裂现象 铝船壳用焊接制造或用铆钉法制造 取决于其所选用的铝合金类型 若用铆钉法接合 应绝对不允许有水进入接缝处或铆钉头下 否则就会不断地从夹缝中渗出粘性白色胶状的腐蚀产物 不久就会使船发生灾难 为此 在接缝处及铆钉头下应使用一种柔性的密封材料 PRC 进行充填 把此密封材料涂敷在接缝区后 应在其尚未干燥固化前就进行铆钉接合工艺 湿铆法 这种工艺是铝船制造业中的最关键性的技术之一 第四节发动机的防腐蚀 1 防止冷却水的腐蚀作用发动机的冷却有直接冷却和间接冷却两种类型 直接冷却法是用水泵直接把海水打入发动机组内部进行冷却 间接冷却法是将循环的液体在发动机内加热后 流经热交换器管道内部 被管外的水流所冷却 再循环流入发动机组内部起冷却作用 直接冷却式的海上用低速发动机通常由铸铁组成 水流通道非常宽大 以防止淤塞 水道管壁也非常厚 具有极大的腐蚀余地 发动机冷却水通道的防蚀措施有二 其一是把一个锌制的牺牲阳极用螺旋固定到铸铁通道内 待此阳极即将完全腐蚀时 应及时更换新的阳极 其二是在船只停泊时 应先用淡水冲洗此种通道 然后用含缓蚀剂的防锈溶液进行冲洗 间接法所使用的热交换器可以由含砷和锡的海军黄铜组成 或使用其他能抵抗流动腐蚀的合金所组成 在闭路循环系统中的冷却水通常由淡水 缓蚀阻垢剂 防污剂和防冻剂等所组成 应用这种热交换器可以使发动机在较高的温度环境中进行运转 这种高温有利于延长发动机的寿命和减少噪音 2 气缸防腐蚀船只的气缸如被腐蚀 后果将更严重 故在发动机暂停运转时 每一个气缸中都应注入防锈润滑油 然后把所有的入口和排气的支管紧紧密封 不能比氧气和海水进入 对于汽油发动机 可通过气缸的火花塞孔注入防锈润滑油 每个气缸的润滑油注入量约一茶匙 注入润滑油后应使发动机运转片刻 使润滑油在气缸的内膛中均匀地分布 对于柴油机 则可由入口支管注入润滑油 也需要运转片刻 但柴油机空转时间不宜太长 否则就会使润滑油烧去而失去作用 使用某些特种燃料油作为燃料可以减少发动机的腐蚀 3 管道和旋塞靠近发动机处的管道上应接一根橡胶软管 既可防止振动引起的腐蚀疲劳开裂 又可防止异种金属的电偶腐蚀 海水旋塞的过滤网不能用黄铜制成 因黄铜脱锌腐蚀后此过滤网会被撕碎并被吸入海水泵中 不仅失去了作用 反而引起管道堵塞 故在此处应使用纯铜过滤网为宜 海水泵易于因流砂而磨蚀 也易于空蚀及受高速海水的冲击腐蚀 它应由耐蚀铸铁制成 不锈钢的水泵轴易于发生点蚀 且堆以被水泵的壳体所阴极保护 故这种水泵不宜选用 特别是其轴不能用低级的不锈钢制造 4 排水管和排气管冷却水的排出管应尽可能短而直 但也可用橡胶管进行排水 既可避免海水腐蚀和疲劳 也可以减小振动和噪音 汽油发动机上安装的排水管 或排气管 还可以用铸铁 镀锌钢材 黄铜 铜 青铜或不锈钢所制成 对于柴油机的排放管 则应避免使用青铜或黄铜 因为柴油机所排出的烟雾对铜合金有腐蚀作用 故柴油机排放管应使用生铁 镀锌钢或不锈钢为宜 排气管所排出的热盐水及高温废气的混合物的腐蚀性极强 只有耐蚀合金制的排气管才能具有较长的寿命 注入废水的弯头的金属最易发生腐蚀 除了前述各种腐蚀因素外 还会受到冲击腐蚀 这种冲击腐蚀与冲击角度有关 故在设计弯头造型时应尽可能使其接近流线型 这种弯头最好由耐蚀性优良的镍基合金制造 最适用的有因科罗依825 Incoloy825 和因科镍625 Inconel625 等 在船只停泊时 这些排放管道也应和发动机在一起用淡水清洗和用防蚀油处理 才能延长共处用寿命 排放管道的凹进处应有一个排水孔 以防止管内积水 橡胶管和塑料管常用作消音器 以减少噪音 防止腐蚀疲劳 5 燃料油箱和油管根本的解决办法是使用其有优良的阻燃性 韧性和耐蚀性的材料来制造燃料油箱 油箱宜用焊接法制造 而不要用铆接 因铆钉联接易于发生缝隙腐蚀 也易于漏油而导致火灾 焊接型不锈钢看来是目前最理想的油箱材料 但油中总有些水分 聚集在底部的低洼处 易于引起点蚀 燃料油管道应由可以退火的无缝铜管 铜镍合金管或不锈钢管制造 在铝船上则宜用铝合金管 不能使用缝管 管道也不宜焊接 这是由于焊缝熔点低 着火危险大 而且焊缝处易于发生腐蚀疲劳开裂 6 水箱水箱腐蚀的危险性远比油箱小得多 制造水箱材料可以是橡胶 玻璃钢 不锈钢 铜和镀锌钢板等 若用普通钢板制造水箱 其内部应涂布无毒的防蚀涂料 水箱外部也当然要使用油漆保护 7 电气设备海洋中含盐的大气非常易于腐蚀电气设备 所有电气开关 熔丝盒和灯座等设备中都应避免使用任何一种黑色金属 海上电缆通常使用聚氯乙烯绝缘 电缆应保持清洁 远离热源 排气管 炉子和烘箱等 远 离一切易于磨损及易于受冲击的地方 电缆也不应穿过任何燃料系统的下部 还要避免电火花引起的着火危险 对于海洋中使用的电气设备 都必须使用磁铁检验证实无铁后才能使用 8 舷外发动机在发动机停止运转时 其内外均应仔细地用淡水冲洗 否则就会有腐蚀产物从积存海水的缝隙中渗出 清洗时应把发动机开动片刻 充分洗除盐晶 防止海盐吸湿而形成严重的腐蚀 清洗后应注入防锈润滑油 在船只停泊时 应使发动机翘起 使其大部分支架高于水平面 这样可避免防锈润滑油被海水所沾污 还可避免污损生物的吸附和电蚀 不能用塑料薄膜覆盖发动机机头 因为这样就会形成一种 腐蚀性温室 薄膜底下温度高 湿度大 故腐蚀速度快 这样就会使发动机很快破坏 故宜用帆布遮盖机头 而且在帆布下应留有空隙 以便保持通风 降低温度和湿度 齿轮箱应使用高效防锈润滑油保护 第五节平台腐蚀概况 一 平台腐蚀概况平台建筑在海洋中要经受比较严重的海水腐蚀 因此 在设计和选择平台的设备结构元件时 必须考虑到因腐蚀而引起的误差 近海平台的防蚀保护的主要困难之一是 整个平台架的腐蚀速度是不均匀的 如前所述 海洋环境可分成海上大气区 飞溅区 潮差区 全浸区和海底淤泥区五大区 如图7 9所示 以低碳钢为材料 最通用的防蚀方法是 在海上大气区用防蚀涂料保护 在飞溅区和潮差区使用蒙乃尔合金包套 或重防蚀涂料 玻璃钢包套或橡胶包套等 在全浸区则联合使用阴极保护法 电化保护 和防蚀涂料 在泥下区 除了也在阴极保护作用下外 也可以在钢桩外部套以钢管 钢桩和钢管之间充填适当的缓蚀剂 美国腐蚀工程师协会标准RP 01 76规定了固定式钢结构平台飞溅区腐蚀的控制方法 包覆蒙乃尔400合金 厚1 02毫米 覆盖硫化的氯丁橡胶 厚6 13毫米 覆盖充填了砂子的树脂胶泥 环氧树脂或不饱和聚酯树脂 厚5毫米 增加钢的厚度 13毫米 用涂层 厚250 500微米 保护 因此法不能长期有效 故现在改用更厚的新型的超重防蚀涂料 图9 9海上平台腐蚀与海上腐蚀的五大区 在北海的平台 最常见的局部腐蚀现象为电偶腐蚀 点蚀 应力腐蚀开裂和微生物腐蚀四方面 例如 点蚀的速度可以为 般腐蚀速度的10 50倍 此外 在焊缝区或油漆脱落地区 还可能发生如图9 10所示的晶间腐蚀 引起开裂 图9 10漆下晶间腐蚀1 2 漆膜缺陷 3 晶界 4 晶间腐蚀 5 一般腐蚀 通常温度每升高30 腐蚀速度就会增加一倍 北海气温虽不高 但海底石油或天然气受地热的影响 在开采初期的温度可能很高 促进钢管外表面的海水腐蚀钢管外部 北海油田的实践证明 海生物的沾污要促进腐蚀 对于防蚀是不利的 其原因有5点 在飞溅区和潮差区 海水常滞留在金属表面 使防蚀涂料被破坏 可能形成缺氧的局部腐蚀 引起氧气浓差电池腐蚀 阻碍阴极保护系统 发挥防护作用 图9 11海水流速对钢材腐蚀的影响 二 平台所使用的材料在北海油田 80 的设备结构都使用低碳钢或中强度钢制造 高强度的低合金钢的应用正在增长中 然而 氢脆危险限制了高强度钢材的应用 冷轧钢 锻钢和铸钢在北海都有应用 在海洋大气区中所适用的新研制的耐蚀性较好的耐候性钢材 在近海工程中迄今尚未广泛采用 但今后有可能推广 不锈钢是依靠表面形成的氧化物层而具有耐蚀性的 这层氧化膜在富氧的海水中易于维持其完整性 为此 海水流速应大于1 22米 秒 然而对海上石油平台来说 海水通常是流速极低或停滞不动的 故不锈钢易发生点蚀和缝隙腐蚀 引起损坏 通常 不锈钢的全面腐蚀速度不大 其点蚀速度应低于1厘米 年才可在油田区使用 不锈钢常用于海上石油器械中管道 燃料油管和天然气管道 包括立管 液压器中的油管 已实用的品种有含13 铬的铁索体不锈钢 铁素体 奥氏体双相不锈钢及奥氏体不锈钢等 也有用不锈钢制造海水泵或其他的设备的 对于大型的水泵 在铸铁中常添加镍以改善它的耐蚀性 在海洋工程中 铜基合金的应用已有较长的历史 如水泵零件 阀门 热交换器和冷凝器等都可能用铜合金制造 用于近海工程的铜基合金大致上分为铜镍合金 青铜和黄铜三种 常用的铜镍合金牌号为Kunifer10 88 铜 10 镍 1 5 铁和10 锰 和Kunifer 30 68 铜 30 镍 1 5 铁 1 5 锰 这些合金主要用作近海海水管道 铜镍合金在海水中的腐蚀速度低达0 02毫米 年 而且很少有缝隙腐蚀点蚀的倾向 在合金中加入少量的铁 1 0一1 8 可以使具有优良的耐蚀性 见前文 但其海水流速极限为4米 秒 超过此极限 铜镍合金会发生点蚀和冲击打腐蚀 近年来发展了16Ni 0 4Cr 余量Cu 流速可达7 5米 秒 含镍量为10 的铜镍合金主要用作冷却设备的管道 海上消防设备 喷水设备 水的入口管道和海水钻探机的供水管等 黄铜和青铜常用来制造阀门 泵类和螺旋桨 用于高速流动或涡流状态的海水环境中 常用的是镍铝青铜 铝青铜 锰青铜 CT青铜 M青铜 三七黄铜 四六黄铜 三七海军黄铜和炮铜 其中黄铜通常加砷作阻蚀剂 应用于海上的铜合金铸件外壳或管道的厚度应为12 7 25 4毫米 这样 10毫米 年的腐蚀速度就仍在此种设备的允许公差范围之内 铜合金设备若在静止的海水中进行操作其主要的腐蚀形式是缝隙腐蚀和冲蚀 为防止阀门腐蚀 可以在设计阀门壳体时 在内部设置一个有阴极保护作用的牺牲阳极 也可在阀门内部设置橡胶内衬 镍基合金的防蚀原理类似于不锈钢 但在低流速的海水中镍基合金的点蚀没有不锈钢那样严重 最常用的镍基合金是蒙乃尔合金400 英国标准BP规定 对于所有立管都至少要包覆3毫米厚的蒙乃尔合金 蒙乃尔合金包覆还有一个优点 因海洋石油平台80 的部件都是钢材制造 大面积钢铁对蒙乃尔合金有天然的阴极保护作闲可使蒙乃尔合金包套在整个平台建筑中处于阴极地位 蒙乃尔合金还用来制造小口径的海水管道 因为此类管道中海水的流速太高 已不宜使用镍铜合金制造 就采用了蒙乃尔镍铜合金 钛和钛合金是海水冷却的热交换器理想的材料 钛的点蚀 缝隙腐蚀和空蚀的可能性都不大 其缺点是成本高和难以焊接 第六节阴极保护法 1 概说阴极保护是用于全浸区近海钢结构的最重要的防蚀技术 如设计正确 一个阴极保护系统能有效地防止由于均匀腐蚀和局部腐蚀所引起的任何损坏 对近海结构来说 阴极保护对防止焊缝和热影响区的优先腐蚀特别重要 阴极保护还能使金属结构的初始疲劳强度保持不变 不再因海水的腐蚀疲劳作用而下降 从而避免了开裂危险 正确设计的阴极保护系统使海水中材料的疲劳裂缝的成长速度大为降低 在初期 北海油田套用了早先在墨西哥湾的纠尔夫 Grulf 海上油田已沿用多年的阴极保护系统的 成熟 经验 不料 在北海区的设备的腐蚀速度和腐蚀损失都比原来预计的要大得多和严重得多 表9 1说明了两个海域的设计标准的区别 在初期 北海油田套用了早先在墨西哥湾的纠尔夫 Grulf 海上油田已沿用多年的阴极保护系统的 成熟 经验 不料 在北海区的设备的腐蚀速度和腐蚀损失都比原来预计的要大得多和严重得多 表9 1说明了两个海域的设计标准的区别 阴极电流密度直接正比于钢表面上氧的还原速度 这一反应是扩散控制的 因此它取决于溶解氧的含量和在钢材表面上的扩散物的对流情况 表9 1两个油田阴极保护设计的标准比较 牺牲阳极保护失灵 多数情况下是由于电流密度不当或其分布不均匀所引起 仅少数事例与阳极的材料有关 当然 若阳极材料发生了晶间腐蚀或其他局部腐蚀 其电流输出量就会下降 埋于海泥下的铝阴极 必须防止它因钝化而减少电流量 外加电流法的电压易于控制到最优化 若牺牲阳极法对近海结构的整体产生不利影响时 外加电流法就能充分显示其优越性 此外 当需要特别高的电流密度时 使用外加电流法也较为有利 对于混凝土内的钢筋 若其和被阴极保护的钢铁设备相接触时 就应考虑列被泄漏到钢筋中的电流裕量 此裕量相当于0 5 1毫安 米2的电流密度已足够 这样就可以使钢筋也阴极化 避免了钢筋成了相对于自由暴露钢铁表面的阳极而被腐蚀 对于热交换器及从海底下吸取热石油 或天然气 的管道的阴极保护 其电流密度取决于海水和钢界面的温度梯度 2 牺牲阳极法在使用牺牲阳极时 其输出电位也应该用标准的参考电极来测定 适用的标准电极可以是银 氯化银参比电极或饱和甘汞电极 如图9 12所示 使用图9 12参考系统时 标准电位应为 0 83伏 Ag AgCl 钢在海水中阴极保护的最小保护电势通常为 0 8伏 这种电位数值适用于冷或热的海水 然而 对于海底淤泥区 为防止硫酸盐还原菌的腐蚀 保护电位应为 0 9伏 对于高强度钢材 最好不要低于 0 95毫伏 以免发生氢脆危险 图9 12牺牲阳极法保护电位的测定 平台整体结构的各部所使用的牺牲阳极的分布情况取决于这些部位各自的腐蚀环境的严重程度 根据英国国家标准 福梯斯 Forties 平台所需要的牺牲阳极分布如表9 2所示 对于平台设备上的可动部分 如平台周围的浮桥 其牺牲阳极的分布密度应高于平台的固定部分 如平台的柱脚和支柱等 表9 2福梯斯平台海平面下牺牲阳极的分布 3 外加电流法北海油田的近海设备常用的阳极材料为钛 锂 铌和铑 其表面还镀以铂 当然 用这几种金属和铂的合金也可制成阳极 这些被用作外加电流法的阳极材料的设计数据如表9 3所示 表9 3外加电流用阳极材料的设计数据 图9 13表示在牺牲阳极法的操作性能和自动控制的外加电源让的操作性能之间的比较 由此可看出外加电流法比牺牲阳极法优越得多 外加电流法的另一优点是阳极数量比较少 不到牺牲阳极个数的十分之一 其总重量也轻得多 两种方法的共同缺点是 在固定结构安装和基建阶段没有保护作用 而外加电流法的另一缺点是需要供电 故需要附近有直流电源供应 且要消耗不少电能 还需要大量输电的电线和电缆 图9 13两阴极保护系统的比较 a 牺牲阳极系统 b 外加电流系统 4 采油 气 管道的阴极保护在不超过50 的情况下 钢结构和管道的阴极保护所需要的电流密度值如下 海底泥浆 泥砂 部分25毫安 米2流动的海水中 含氧气量较高 90 110毫安 米2静止海水 含氧量稍低 55毫安 米2以上所有的值都是相对于裸 无涂层 钢材而言的 实验证明 把热的钢材浸在冷的海水中 其腐蚀速度随温度的升高而递增 其所需要的阴极保护电流也随钢材表面的温度升高而递增 温度不同 在海水中所形成的石灰质沉积层也不同 它的保护性能也有差异 然而这种石灰层对于维持有效阴极保护状态所需要的电流密度也有重大的影响 然而对于埋没在海底泥砂中的钢铁设备 其温度的上升却对于其腐蚀速度的影响不大 也不必明显地增加它的阴极保护用的电流密度 在大洋的海水中 对于热的钢铁设备 其保护电位 与常温相比 可以稍向正向移动 但达到这种保护电位所需的阴极电流密度却明显地增加 稳态电流密度比起始电流密度大幅度降低的原因 是由于在海洋中被保护管道的外表面形成了石灰质沉积层 假定 若把石灰质层看作是有限扩散层 其厚度为S 在电极表面 即被阴极保护的钢材表面 的氢氧离子的起始浓度为COH 保护电流密度始终为i 定电流法 则有 CCH C大海 OH 中DOH 为OH 的扩散系数 F 法拉第常数 在海水环境中 pH 8 2 20 扩散系数DOH 5 2 10 5厘米2 秒 i 100毫安 米2时 由此式可以求出 在阴极保护开始时 钢材表面的pH值为9 6 此后 石灰质开始沉积 当石灰质扩散层的界面厚度为10 2 10 3毫米时 钢材表面pH值为8 6 在此pH条件下 所形成的石灰质沉积层为碳酸钙而不是氧氧化镁 由于在高温时 碳酸钙的可溶性减小 故钢铁表面温度的升高 有利于石灰层沉积层的增厚 在海水中的碳钢在高温 65 90 时及几种腐蚀电位条件下的腐蚀速度见表9 4 保护电位和电流密度见表9 5 在海底泥砂巾的腐蚀速度见表9 6 表9 5在有空气的海水中 碳钢在各种温度下的腐蚀电势和腐蚀速度 表9 6各种温度下碳钢所需的阴极保护电势和所需的电流密度 表9 7在温砂中各种温度及电势及电势条件下碳钢的腐蚀速度 在海水中的防蚀电流密度 第七节平台用防蚀涂料 防蚀涂料是保护平台所必须的防蚀措施 在海上大气区 几乎所有的平台都使用防蚀涂料保护 在飞溅区 在西方国家都用蒙乃尔合金包套 但包套外部可以用铁制扁带卷绕作为牺牲阳极保护 此种铁制扁带外面再用防蚀涂料 有时称为线圈涂料 保护 其防蚀效果为最佳 在潮差区 因变动大 也必须和飞溅区同样保护 但其在涨潮时也受到阴极保护 在全浸区 虽已普遍采用阴极保护法 但通常总是同时使用耐碱性防蚀涂料 在日本等国 通常使用的重防蚀涂料是 以无机富锌 硅酸酯型 为底漆 中层漆可以是云母氧化铁充填的环氧树脂 而在飞溅区和全浸区则使