阴极保护技术的发展历史

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：1902年，Cohen采用直流电动机首次完成了外加电流阴极保护的实际应用。与此同时，德国的Haber和Goldschmidt从1906年起在阴极保护的基础研究方面进行了卓有成效的探索。阴极保护所需要的设备、材料、附配装置等得到了快速发展，检测和监控更加先进，应用范围也不断扩大。我国对阴极保护技术的研究和开发起步于新中国成立后。自1976年后，阴极保护技术在国内的发展步伐加快，取得了长足的进步。

1823年，英国化学家Davy在实验室的长期实验中发现，铜和锌或铜和铁接触可以使铜受到保护。1824年，Davy在船体上进行了实用性试验，用铁作为阳极，面积为铜皮总面积的1/80，取得了良好的保护效果。同年3月，第一艘采用这种方法保护的军舰在新英格兰沿海正式航行。随后，他又在一艘650t级的客轮的船首和船尾加装金属锌，面积为铜皮总面积的1/100，发现效果更好。客轮航行归来，铜皮完好如初。1826年，他在研究报告的结论中指出，“当泡在液体中的不同金属用导线连接成回路时，一种金属的腐蚀得到促进，而另一种金属的腐蚀减缓，这就是铜船通过连接铁或锌而得到保护的原因”。

1829年Davy去世后，他的助手——当时的著名科学家法拉第继续研究铁在海水中的受腐蚀情况，发现铁在水面附近比在水底受腐蚀更快。1833年提出了著名的法拉第电解定律，1834年发现了腐蚀损耗与电流之间的定量关系。在题为“关于电的实验研究”的论文中，首次明确地定义了“电解质”“电极”“阳极”“阴极”“阳离子”“阴离子”等概念。他的这一研究奠定了电化学的科学基础，同时也阐明了阴极保护的原理。

1865年，法国人Flishchen在汉诺威召开的建筑工程师协会会议上，报告了他把锌焊接或拧到铁上防止海水腐蚀的长期试验结果，指出“铁的有效保护毫无疑问来自电化学的影响”。

外加电流阴极保护法始于1890年，美国著名发明家爱迪生最早在船上试验采用外加电流的阴极保护方法。由于当时还没有合适的外加电源和阳极材料而未获成功。1902年，Cohen采用直流电动机首次完成了外加电流阴极保护的实际应用。1906年，Geppert建立了第一个管道阴极保护系统，用一台容量为10V、12A的直流发电机保护地下300m长的煤气管道和供水管道，并于1908年获得第一个阴极保护专利。美国的Cumberland虽然在1905年即开始研究在蒸汽锅炉中采用外加电流阴极保护法，但他获得专利权的时间是1911年。

与此同时，德国的Haber和Goldschmidt从1906年起在阴极保护的基础研究方面进行了卓有成效的探索。Haber在“电化学”杂志上阐述了他著名的测量电流密度、土壤密度、土壤电阻率和管道-土壤电位的电路。Haber使用锌-硫酸锌参比电极测量电位。1908年，Mc.Colum首次采用了至今仍广泛应用的铜-硫酸铜参比电极。1910年以后的几年中，Bauer和Vogel在柏林的材料试验站确定了阴极保护所需的电流密度。

1913年，在英国举行的第一次金属研究会议上，牺牲阳极保护法被正式命名为“电化学保护法”。

1924年，丹麦人Guldager采用铝作为外加电流法的辅助阳极材料，进行自来水厂地下水管的内保护。

1928年，被后人称为美国阴极保护之父的Kuhn领导了新奥尔良一条长距离输气管道的外加电流阴极保护工程，首次使用了阴极保护整流器，开创了管道阴极保护的新篇章。当时采用的保护电位为-0.85V（相对于铜-硫酸铜电极）。在他的指导下，1931～1934年，在休斯敦、孟菲斯等城市又安装了一些强制电流阴极保护系统。Kuhn的工作为阴极保护现代技术打下了基础。在20世纪30年代初期，美国已有300km的管道采用锌阳极进行阴极保护，有120km的管道采用外加电流阴极保护。随后，从20世纪30年代到50年代，比利时、苏联、英国、德国等欧洲国家都先后采用阴极保护技术控制埋地或水下管道的腐蚀。

1970年，德国水煤气工程协会为纪念Kuhn在阴极保护技术发展中所做出的卓越贡献，特别发行了刻有Kuhn头像的阴极保护技术纪念章。

至此，阴极保护的基础理论已相当完善，国外阴极保护的进展主要体现在应用技术上。阴极保护所需要的设备、材料、附配装置等得到了快速发展，检测和监控更加先进，应用范围也不断扩大。除了海水中的船舶、埋地及水下管道，还广泛用于港口码头的钢柱及混凝土基础、化工容器、热交换器、埋地电缆的金属护套、桥梁基础、海洋钻井平台等。同时，还制定了一系列的规范和标准，使阴极保护技术日渐规范化。

我国对阴极保护技术的研究和开发起步于新中国成立后。1958年，原交通部船舶科学研究所开始对船体阴极保护进行试验，在一艘350t的钢壳船上安装锌合金牺牲阳极，研究了锌合金阳极的铸造和安装工艺。原机械部科学研究院材料研究所也开展了锌系牺牲阳极的研究，在锌中加入铝及镉，与高纯锌进行性能比较。

我国埋地油气管道的阴极保护也始于1958年，当时仅限于小规模的试验。20世纪60年代初，在新疆、大庆、四川等油气田上陆续开始试用。1965年大庆油田、哈尔滨工业大学、华中工学院^[1]等单位合作，开展了牺牲阳极法管道阴极保护的现场试验。同年，科学院原催化电化研究所相继在鱼雷快艇、高速炮艇、护卫舰及500t级货轮上进行外加电流恒电位阴极保护试验。1968年，该所还对全长80km、直径426mm、外加沥青绝缘防腐层的螺纹钢管进行了外加电流阴极保护的设计和施工。自20世纪70年代起，我国的长输管道开始推广应用阴极保护技术。

自1976年后，阴极保护技术在国内的发展步伐加快，取得了长足的进步。

在牺牲阳极的开发方面，四川石油设计院和重庆有色金属研究所开展了锌阳极的研究。原石油部管道设计院开展了镁阳极的研究。这些研究项目所开发出的产品后来都陆续通过技术鉴定，达到或接近国外同类产品的水平。

在外加电流阴极保护所需的电源设备方面，福建三明无线电二厂生产的KKG系列恒电位仪于1976年年底通过技术鉴定，形成规模生产能力，并获得1978年全国科学大会奖。20世纪80年代后期，该厂又开发出KSW型及PS型计算机管理恒电位仪。

1978年，管道设计院和南通炭素厂联合研制的石墨阳极通过技术鉴定，结束了国内一直沿用钢铁阳极的时代。

1985年，昆明冶金机械厂、四川石油设计院、管道设计院合作研制的高硅铸铁阳极取得了成功，更促进了阴极保护的工程应用。

在20世纪70年代，成都科技大学、四川石油设计院和东北输油管理局联合开展了埋地金属管道的交流干扰影响及其防护的研究；1987年，铁道部电化局和管道设计院联手合作，成功地解决了京秦电气化铁路对秦京输油管道的干扰问题，为国家节约基建投资约470万元。

1988年，由管道设计院、昆明冶金机械厂和管道局运销部联合开展的电缆铝热焊接技术通过技术鉴定，已广泛应用于阴极保护领域。

1989年，石油部和中国腐蚀与防护学会在北京市公用局^[2]召开了城市管道阴极保护研讨会，管道设计院和腐蚀学会分别就城市管道阴极保护的可行性和必要性作了介绍，从而促进了城市管道阴极保护技术的发展。

1991年，埋地型绝缘接头应用于新疆轮-库输油管道上。同年，中国科学院电工所和管道设计院开始在轮-库线上筹建风/光互补混合发电阴极保护站，解决无电地区外加电流阴极保护的电源问题。

1992年，管道设计院根据工程需要，开展了高电位镁阳极和带状镁阳极的研究，从而完善了镁阳极的应用技术。

有关单位还先后在非洲及东南亚等地承建阴极保护工程。我国生产的牺牲阳极材料也远销北美、东南亚等地区。

近几年，阴极保护系统优化设计方法和研究在我国也得到了蓬勃发展。天津大学、天津港湾工程研究所、天津纺织工学院、大港油田等单位联合开展了区域性阴极保护优化设计的研究，建立了保护系统的物理模型和数学模型，应用柱面单元三维边界元法和分段线性拟合法求解数学模型，编制出BEMU软件，并将这一技术用于工程设计。中国科学院上海冶金研究所用有限元法计算了码头钢管桩在几种条件下的电位分布和电流分布情况，研究结果可供设计钢管桩阴极保护时参考。他们还用有限元法研究了带状牺牲阳极对埋地钢管实施阴极保护时的电位和电流分布。

另外，渤海石油工程设计公司、大连理工大学、中科院金属腐蚀与防护研究所、青岛海洋大学等开展了海洋工程的阴极保护电位计算。七二五所青岛分部采用数值方法计算了牺牲阳极接水电阻、发生电流等参数。中科院福建物质结构研究所二部对海底管道和罐底阴极保护遥测技术进行了研究。不过，这些技术距软件的商品化仍有一定差距。

近十几年来，有关部门还制定了一系列有关阴极保护技术的规范和标准，加快了阴极保护技术的标准化进程，大大缩小了与国际先进水平的差距。

阴极保护技术的发展历史

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