海底工程建设武器装备THF1控制技术重大进展

从20 世纪末80 二十世纪末，随著海底勘探天然资源开发电子技术的渐渐成形，大批海底天然气网络平台、管线和FPSO 等天然气化工武器装备启用。海底锈蚀自然环境特点与海床湖水明显相同，入役海底自然环境的工程建设武器装备内部结构安全可靠和锈蚀控制电子技术受了分外的倚重。

THF1电子技术是天然气化工武器装备最常见、最有效率的锈蚀防雷电子技术，该电子技术可原则上用作天然气化工武器装备的锈蚀防雷，也可与薄膜基础建设应用领域，不但能避免光滑锈蚀，也可有效率避免孔蚀、空隙锈蚀、形变锈蚀、强磁场锈蚀等。特别针对海底自然环境锈蚀新特点与锈蚀防雷新考验，海内外在海底THF1内部结构设计、牺牲生命阴极金属材料、THF1应用领域电子技术科学研究等各方面积极开展了开拓性的科学研究。

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海底THF1参数

THF1效果与THF1内部结构设计参数直接相关，包括保护电位、电流密度、阴极金属材料与数量等，其中保护电位和电流密度是两个最重要的THF1内部结构设计参量。THF1电位范围由金属材料特性决定，而THF1电流密度选取由保护电位范围控制，二者间的函数关系与金属材料特性（极化特性、表面状态）、自然环境参数（温度、溶解氧、流速、盐度）等有关。

1.1 海底条件THF1电位判据

为保证海底工程建设武器装备内部结构强度，普遍采用高强度合金制造，金属材料强度越高，氢脆敏感性也越高。THF1过程中，高强钢表面发生吸氧或析氢反应，或二者同时发生。THF1电位越负，越容易发生析氢反应，金属材料发生氢脆断裂的风险越高。因此，对高强钢THF1电位范围应进行严格控制。目前，海内外尚无高强钢在海底条件下的THF1电位判据标准，但相关科学研究表明，当THF1电位负于一定值后，金属材料伸长率、断裂时间均随THF1电位负移而减小。对于屈服强度为500～900 MPa 的高强钢，最佳保护电位范围为-0.790～-0.870 V（vs Ag/AgCl/湖水，下同）。对于强度超过900 MPa 的高强钢，最佳保护电位范围为-0.79～-0.81 V。相同金属材料最佳THF1范围为：钢-0.8~-1.00 V，铜-0.45~-0.60 V，铝-0.9~-1.15 V，高强钢（500~900 MPa）-0.79~-0.89V，高强钢（>900 MPa）-0.79~-0.81 V。

1.2 海底条件THF1电流密度

1）压力对THF1电流密度影响。THF1过程中，氧还原反应产生OH-，OH-与湖水中的Mg2 +，HCO3-，Ca2+反应，生成保护性的CaCO3，Mg（OH）2等沉积物附着在被保护内部结构表面，可减小THF1电流密度。压力越大，碳酸钙溶解度越大（500 m 海底条件下碳酸钙溶解度为海床湖水的5 倍），越不容易在被保护对象表面形成钙镁沉积层。在高压力海底条件下，沉积物主要为Mg（OH）2。同时压力越大氧气活度越大，所需THF1电流密度越大。因此，THF1电流密度随著压力增加而增加。在湖水流速为0，海床湖水与3000 m 海底条件下，钢质金属材料所需THF1电流密度对比见表1。

2）流速对THF1电流密度影响。流速对THF1电流密度影响明显，流速越大，氧气扩散越快，氧气还原速度越大，所需THF1电流密度也越大。由图1 可知，3000 m 海底条件下，当湖水流速从0 m/s 增加至10 m/s，若要达到-850 mV 的THF1电位，THF1电流密度需从30 mA/m2 增加至250 mA/m2[10]。DNV-RP-B401 推荐的相同深度相同温度裸钢初始、后期和平均THF1电流密度见表2。根据S.Chen 等人在墨西哥湾积极开展的900 m实海THF1参数科学研究结果，施加0.1 A/m2平均保护电流密度，钢试样表面电位约为-0.9～-1.0 V，容易造成高强钢发生氢脆断裂。海底武器装备THF1工程建设公司采用21.5 mA/m2电流密度标准内部结构设计钢质内部结构THF1系统，远小于表2建议的THF1电流密度。

综上，THF1电流密度受湖水压力、流速等多因素影响，因此，在进行THF1内部结构设计时，要特别针对工程建设武器装备入役自然环境特点，确定THF1内部结构设计参数，切不能盲目照搬。

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海底自然环境对牺牲生命阴极性能影响

1）温度影响。温度对牺牲生命阴极性能影响明显，一各方面海底湖水温度明显低于海床湖水温度，温度降低，牺牲生命阴极活性降低，开路电位和工作电位轻微正移，阴极溶解形貌变差，溶解形式由光滑溶解变为局部溶解。另一各方面，对于输送高温介质的管线，牺牲生命阴极工作在高温条件，随著温度升高，常见的Al-Zn-In系牺牲生命阴极电容量明显降低，如图2所示。

2）压力影响。海底压力作用下，金属材料处于弹性变形状态，根据E.M. Gutman 机械电化学理论，压力增加牺牲生命阴极开路电位负移，锈蚀速率增加。科学研究表明，在湖水压力作用下，压力加剧Al-Zn-In 牺牲生命阴极晶间锈蚀诱发的形变锈蚀开裂，导致电流效率降低。

3）溶解氧影响。与海床湖水相比，海底湖水溶解氧含量降低，其对Al-Zn-In 系牺牲生命阴极主要有两各方面影响：一各方面，溶解氧含量减少，Al2O3氧化膜生产速度降低，有利于阴极活性溶解；另一各方面，又导致In，Zn等合金元素溶解-再沉积困难，造成牺牲生命阴极活性溶解能力下降，其中对In，Zn 等合金元素溶解-再沉积影响程度大于对Al2O3氧化膜生产速度影响。因此，溶解氧含量降低，牺牲生命阴极活性降低，电流效率降低。

4）压力交变影响。压力交变自然环境，牺牲生命阴极溶解产生的阳离子（Al3+，Zn2+）与氧气还原产生的OH-离子反应生成的沉积物（Al（OH）3，Zn（OH）2）容易附着在阴极表面，导致阴极工作电位正移，活性降低。

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海底牺牲生命阴极金属材料科学研究

1）海底牺牲生命阴极科学研究。为解决海底自然环境牺牲生命阴极金属材料性能下降问题，美国开发了海底铝合金牺牲生命阴极，阴极成分（质量分数）为：Fe ≤0.07%，Zn 4.75%～5.25%，Cu ≤0.005%，Si ≤0.10%，In 0.015%～0.025%，Cd ≤0.002%，Al 余量。国内中国船舶重工集团公司第七二五科学研究所也开发了专用作海底自然环境的铝合金牺牲生命阴极金属材料，在浅海和模拟600 m 海底自然环境，电容量均达到2650 Ah/kg 以上。海底牺牲生命阴极工作电位约为-1.1 V，主要用作保护屈服强度不高的钢质内部结构和铝合金等。

2）低电位牺牲生命阴极科学研究。牺牲生命阴极工作电位过负，易导致高强钢氢脆断裂，为解决阴极工作电位与高强钢THF1电位范围要求不匹配问题，开发了基于Ga 活化的低电位牺牲生命阴极，其工作电位范围为-0.78～-0.88 V。

3）高活化牺牲生命阴极科学研究。通过添加Mg，Ga，Mn等合金元素，提高Al-Zn-In 牺牲生命阴极的活性，减少锈蚀产物在阴极表面的附着，解决压力交变与干湿交替自然环境牺牲生命阴极结壳导致性能下降问题，主要用作深潜器、ROV、海底挖沟机等。中国船舶重工集团公司第七二五科学研究所研制的Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn 高活化牺牲生命阴极已在天然气化工武器装备上安装应用领域，并取得了良好的效果。

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THF1电子技术应用领域

海底工程建设武器装备的THF1方法有牺牲生命阴极THF1法和外加电流THF1法。由于牺牲生命阴极保护系统可靠性高，无需维护管理，大部分海底工程建设武器装备采用牺牲生命阴极保护法。外加电流THF1法主要用作牺牲生命阴极内部结构设计寿命到期后仍需要继续入役的工程建设武器装备，特别是天然气网络平台的后期保护。

4.1 牺牲生命阴极保护法

1）天然气网络平台及管汇。全世界90%以上的天然气网络平台桩腿采用牺牲生命阴极保护，阴极形状一般为长条状，采用焊接方式安装在桩腿上。海底自然环境中，牺牲生命阴极用作保护采油树及管汇等。典型水下管汇主要由防沉板、内部结构框架、生产设备、保护架组成，阴极主要安装在内部结构框架和防沉板上。

2）海底管线。海底管线特别是海底管线，主要采用薄膜（3LPE/3LPP）联合牺牲生命阴极电子技术进行防雷。牺牲生命阴极采用镯式Al-Zn-In-Si 牺牲生命阴极。牺牲生命阴极达到内部结构设计寿命后，如管线仍需入役，需要对牺牲生命阴极保护系统进行更新。具体电子技术方案为：将一定数量的牺牲生命阴极固定在框架上，组成框架式阴极系统（雪橇式框架阴极、扩大式框架阴极、混凝土和框架共同固定的阴极等），然后通过水下机器人按内部结构设计间距将被保护管线与框架式阴极系统电连接。其中雪橇式框架阴极和扩大式框架阴极适用作沙地自然环境，混凝土和框架共同固定的铝阴极适用作任何自然环境管线保护。2009 年，墨西哥湾124 个天然气化工武器装备进行了牺牲生命阴极和外加电流的更换、翻新。

3）深潜器。深潜器通常采用薄膜联合牺牲生命阴极保护电子技术进行锈蚀防雷。深潜器一般由耐压内部结构和非耐压内部结构组成，耐压内部结构金属材料强度高，通常采用Al-Ga 低驱动电位牺牲生命阴极进行保护；而非耐压壳体处于压力交变、干湿交替的入役自然环境，采用高活化牺牲生命阴极进行保护。

4.2 外加电流THF1法

与牺牲生命阴极THF1法相比，外加电流THF1法的最大优点是只需安装较少的辅助阴极即可满足工程建设武器装备的防雷需求，且保护度可调，但电子技术难度更高，且需要外加电源，不适合大深度工程建设武器装备防腐。主要用作天然气网络平台和大型船舶THF1，此外还用作牺牲生命阴极消耗完采油网络平台的后期防雷。

由于辅助阴极发出电流量大，为避免辅助阴极附近电位过负，通常采用远距离沉底布置辅助阴极的方式（保护对象与辅助阴极距离不小于15 m）对天然气网络平台进行THF1，阴极输出电流越大，布放距离越远。沉底式辅助阴极内部结构为：辅助阴极安装在浮体上，浮体固定在基座上，浮体产生向上的浮力，保证辅助阴极与被保护对象平行。

外加电流THF1电子技术电位精确控制难度远大于牺牲生命阴极THF1电子技术。因此，选用外加电流THF1电子技术对天然气化工武器装备，特别是由高强钢制造的海底工程建设武器装备实施THF1时，必须根据自然环境特点精确内部结构设计，并辅以THF1电位检测系统测量保护电位，评估武器装备氢脆失效风险。

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展望

海底勘探天然资源开发力度加大，大批海底工程建设武器装备启用，对天然气化工THF1电子技术的发展和应用领域提出了迫切需求，目前海底THF1电子技术还有如下几各方面问题亟需解决：

1）明确海底工程建设武器装备THF1电位、电流密度判据，并通过THF1优化内部结构设计方法，精确内部结构设计THF1系统，优化防腐效果。

2）发展新型THF1金属材料，满足入役于相同海底自然环境的工程建设武器装备防腐需求。

3）发展智能化、便宜操作的THF1监检测新电子技术，监测THF1效果，评估天然气化工武器装备内部结构安全可靠。（作者：邢少华,李焰,马力,闫永贵,李相波,孙明先,许立坤 来源：中国天然气大学（华东）,海洋锈蚀与防雷国防科技重点实验室）

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