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解决海上钢材腐蚀问题

风电场和潮汐电站等近海设施,利用创新技术,抵御海上极端气候条件,以及海水的腐蚀性和冲击力

碳钢具有结实、灵活及成本效益等优势,是近海构造物的常用建设材料。然而,碳钢并非坚不可摧。当用于近海设施时,碳钢暴露在海水环境中,随着时间的推移,可能被海水腐蚀和弱化。G2MT实验室估计,2016年仅在美国,海水腐蚀造成的损失高达0.94万亿美元。

风电场等近海设施处于极端气候条件下,它们依靠钢铁具备的独特性质,抵御强风和巨浪带来的物理压力。为了这些设施的长期运行,保持钢铁核心的完整性至关重要。

 

等待装运的风电场桩

码头上等待装运的风电场桩

 

为尽量减少海水对碳钢的腐蚀,工程人员采取多种办法。其中最常用的一种方法被称为“阴极防锈法”。阴极防锈法又分为两种形式:电防锈和外加电流防锈,这两种形式都能保证钢构状态。第一种防锈形式——电防锈,将单独的金属片连接到钢结构上。这片金属被称为替代性金属,可以代替钢材接受腐蚀。

“做一个最恰当的比喻,这就好比在学校进行的铜锌实验,将铜片和锌片放到盐水槽里,然后用导线连接做成一个电池,”防锈工程解决方案公司首席工程师Chris Wozencroft说道。“在热动力上,锌的稳定性低于铜。锌片变成阳极并且优先发生腐蚀,而铜片变成阴极并且获得保护,因此被称为‘阴极防锈法’。”

阴极防锈法通过操控相关金属的电化学反应,将腐蚀性引导到其他金属,确保钢材不受腐蚀

阴极防锈法能够直接用于钢结构。将锌等稳定性低于钢的金属片连接到钢结构上,使稳定性低的金属变成阳极,钢材变成阴极。因此,连接的金属片发生腐蚀,而钢结构继续保持完好。这就是电防锈法或替代性阴极防锈法。

替代性阴极防锈法有一个缺点:替代金属在腐蚀殆尽时,需要进行更换,对于关键性基础设施或可达性较低的构造物,这种方法可能不够方便。在这些情况下,外加电流防锈法是更为适合的解决方案。

“我们没有使用在热动力学上不稳定的金属片,而是使用完全惰性金属,”Chris Wozencroft解释说。“由于是惰性金属,所以如果仅仅只是将这种金属连接到钢结构,将起不到任何作用。但是,如果给这片金属上连上直流电源,并且涂上一层活化剂,就能够操控电子流,让这片金属变得像阳极一样。”

虽然金属片不需要更换,但所需的直流电源可能体积较大。这使得外加电流防锈法的维护成本较高,因此这种办法的使用需要权衡。电防锈法虽然简便,但需要定期更换。外加电流防锈法虽然周期长,但也有成本较高等自身需要考量的因素。

这两种办法都能为近海碳钢构造物提供有效的防锈能力。阴极防锈法通过操控相关金属的电化学反应,将腐蚀性引导到其他金属,确保钢材不受腐蚀。高强度钢材建设高强度构造物,潮汐电站和风电场等将能在未来,继续生产清洁能源。

 

图片:Alamy