[发明专利]通过分布的牺牲阳极进行阴极保护的系统和方法

说明书

公开了一种通过减小或消除总阴极面积来减小阴极保护(CP)系统的总阳极质量的方法，所述系统包括：对要保护的组件或基体为阳极的金属第一层涂层(2)，其结合到该组件或基体，并且导电。在第一层涂层(2)上分布金属第二层涂层(3)形式的牺牲阳极。第二层涂层(3)具有等于第一层涂层的开路电位，或者对第一层涂层和对基体为阳极，第二层涂层(3)导电，结合到第一层涂层(2)，并暴露于周围环境。

发明技术领域

本发明主要涉及受腐蚀的金属物体的阴极保护。更明确地讲，本发明涉及通过在金属(铁或非铁)物体表面上沉积保护性牺牲涂层进行阴极保护的系统和方法。与其类似，本发明也涉及携带本发明的阴极保护系统的海底组件。

本发明的系统和方法通过在要保护的结构上分布牺牲阳极大幅度减小总阴极面积，仍提供与常规牺牲阳极相当的保护度。本发明，下文亦称为通过分布的牺牲阳极(DSA)的阴极保护，可有效地完全减小总阴极面积，或者使其减小到占组件的总表面积的小分数的小缺陷，或者在必须传统涂覆较大面积的情况下，例如漆料系统和其它不导电涂层，与常规牺牲阳极组合使用。

背景和现有技术

电化学腐蚀是在导电金属结构与导电物质(如可包含各种氧化剂的湿土壤或水)接触时引发的过程。在海底系统中，海水作为原电池的电解质起作用，其中电流从浸没的金属结构的阳极部位通到阴极部位，引起电化学变化，在金属中产生腐蚀产物。在海水中浸没的铁金属结构的均匀溶解期间，例如，带正电荷的铁离子(Fe²⁺)从阳极部位释放进入水中，而自由电子(e^-)移到金属表面的阴极部位。在阴极部位发生还原反应，其中电子转移到溶解氧(O₂)和水(H₂O)，依电解质的pH和温度生成氢氧根离子(OH^-)和氢。铁离子与氢氧根离子化合生成氢氧化铁(Fe(OH)²)或铁锈。如果不采取措施防止电化学腐蚀，就可能影响整个结构。非铁金属以类似方式反应，生成不同类型的腐蚀产物。

在没有预防措施(例如，阴极保护)的情况下，具有最低自由腐蚀电位的结构部分将经历活性溶解。

阴极保护是对抗腐蚀的一种方法，其中使要被保护的结构在原电池中成为净阴极。在适当设计时，阴极保护系统可减小腐蚀速率大于2个量级，或完全抑制腐蚀。

在牺牲阴极保护中，活性金属，即，具有低于要保护的结构的自由腐蚀电位的金属或合金，电连接到该结构。在此电路中，具有最低(即，更负)自由腐蚀电位的金属成为净阳极，而该结构成为净阴极。更活性金属的腐蚀使该结构极化到低于其自由腐蚀电位的电位，根据耦合电位减轻或抑制腐蚀。在海底应用中，例如，通过基于铝的牺牲阳极的典型阴极保护电位相对于Ag/AgCl|海水在-1.1至-1.0V级。然而根据经验，在相对于Ag/AgCl|海水，结构被极化低于-0.8V时，认为该结构针对腐蚀被保护。

牺牲阳极由在给定的环境中容易腐蚀的金属和合金制成。对海底油气生产中所用的大多数工程合金为阳极的金属基于铝和锌，它们可以基本上纯的形式或作为合金，用作牺牲阳极。现今，油气工业已在Al-Zn-In系统中标准化，而基于Zn的阳极由于在海水中钝化和极性反转而使用受阻。

在海底油气生产和运输中浸没的设备的牺牲阴极保护通常需要一些可观阳极质量以保护远程海底组件。阳极需求量传统上由国际标准，如DNV RP B401(Det NorskeVeritas’ recommended practice)和ISO 12473确定。数十吨级的总阳极质量对海底油气系统不是不常见的。CP系统的总吨数增加结构的总重量和复杂性，增加显著的安装、运行和维护成本。

在过去，已进行数种尝试以避免为实现埋藏或浸没设备的腐蚀保护而对大的阳极质量的需要。在文献中有数个追随者的一种策略是在需要保护的物体的外面上施加薄涂层。