阴极保护在一定条件下是否可能引起氢脆、起不到保护效果？

在探讨阴极保护是否会在特定条件下引发氢脆，并因此削弱保护效果的问题之前，我们必须首先理解这两者是如何关联的，以及它们在金属防护领域中的作用。

阴极保护：金属的“护卫者”

阴极保护是一种广泛应用于防止金属腐蚀的技术。它的核心原理是将待保护的金属（如钢结构、管道、船舶等）转化为原电池中的阴极，从而抑制其发生氧化（即腐蚀）。这通常通过两种方式实现：

1. 牺牲阳极法： 使用比待保护金属更活泼的金属（如锌、铝、镁合金）作为阳极，它们会优先被腐蚀，从而为待保护金属提供电子，使其成为阴极。
2. 外加电流法： 利用外部电源，将待保护金属强制连接到电源的负极，使其成为阴极。

阴极保护的关键在于使金属的电位降低到“保护电位”以下，这样即使在腐蚀性环境中，金属也不会发生腐蚀反应。

氢脆：金属的“隐形杀手”

氢脆，顾名思义，是指金属在吸收了氢原子后，其韧性、延展性大幅下降，在应力作用下容易发生脆性断裂的一种现象。氢原子通常以原子态（H）进入金属晶格，并在某些区域（如晶界、夹杂物、位错密集区）聚集，形成高压氢分子（H₂）或氢化物，从而产生内应力，降低金属的断裂韧性。

阴极保护与氢脆的潜在“冲突”

现在，让我们来审视阴极保护在某些条件下为何可能引发氢脆，并可能影响其保护效果：

1. 阴极反应的直接产物：氢的生成

在阴极保护过程中，金属表面会发生一系列电化学反应。在大多数电解质（尤其是在中性或碱性溶液中）中，主要的阴极反应是：

析氧反应： 2H₂O + O₂ + 4e⁻ → 4OH⁻
析氢反应： 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ (在酸性或接近中性溶液中)
溶解氧的还原： O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

而在酸性环境中，析氢反应则更加显著：

酸性析氢反应： 2H⁺ + 2e⁻ → H₂

可以看到，析氢反应会直接生成氢气（H₂）。虽然大部分氢气会以气泡的形式逸出，但一部分氢原子（H）可能会吸附在金属表面，并进一步扩散进入金属内部。

2. 过度的负电位与过量氢的吸收

阴极保护的目标是将金属的电位降低到保护电位。然而，如果阴极保护施加的电位过低（即负电位过大），或者控制不当，导致保护电位远低于正常要求的保护电位，那么析氢反应的驱动力就会大大增强。

在这种情况下，会产生过量的氢原子（H）。特别是当金属表面电位足够负时，氢的生成速率会远超其逸出为氢气的能力，导致大量氢原子被吸附并扩散到金属基体中。

3. 特定金属材料的敏感性

并非所有金属都同样容易发生氢脆。高强度钢、马氏体不锈钢、某些合金化的钛合金以及一些镍基合金等，由于其晶体结构、晶界特性、内部缺陷等因素，对氢的敏感性较高。

高强度钢： 晶格中的位错密度高，晶界存在一些脆弱的夹杂物（如硫化物、氧化物），这些区域都容易成为氢原子聚集和扩散的通道，并在此处形成高压氢，导致脆性断裂。
某些不锈钢： 在特定的钝化膜破裂区域，如果阴极保护施加的电位过负，也可能促进氢的渗入。

4. 环境因素的协同作用

除了过低的保护电位和材料本身的敏感性，一些环境因素也会加剧氢脆的风险：

酸性环境： 如前所述，酸性环境会极大地促进析氢反应，提供丰富的氢源。
含硫化物（如H₂S）的环境： H₂S会在金属表面形成硫化物层，这层层可能具有一定的催化作用，促进氢的生成和吸附。同时，H₂S本身也可能导致硫化物诱导的氢脆。
存在应力： 氢脆的发生通常需要外在或内在应力的存在。在阴极保护条件下，如果金属结构本身承受较高的拉应力，那么即使少量氢的渗入也可能导致脆性断裂。

阴极保护“不起保护效果”的可能性

当阴极保护导致了严重的氢脆时，它并未完全“不起保护效果”，而是保护效果被氢脆这个“副作用”所抵消甚至超出了其积极作用。

腐蚀速率降低： 阴极保护的核心目标——抑制腐蚀——仍然在进行，金属的整体腐蚀速率确实降低了。
韧性丧失，结构失效： 然而，由于氢脆的存在，金属的韧性急剧下降。在服役过程中，即使是在相对较低的应力下，也可能发生脆性断裂，导致结构突然失效。这时，虽然表面腐蚀不严重，但整个结构的功能却丧失了。

打个比方，阴极保护就像给金属穿上了一层“铠甲”，抵挡住了外部的“攻击”（腐蚀）。但如果这层“铠甲”的制造工艺（阴极保护的施加方式）不当，导致“铠甲”本身内部出现了“裂痕”（氢脆），那么即使外部的“攻击”被挡住了，内部的“裂痕”也可能导致整个“铠甲”在受力时破碎。

如何避免阴极保护引发氢脆？

要确保阴极保护的有效性并避免氢脆，关键在于精细的控制和对环境及材料的深入了解：

1. 准确控制保护电位： 这是最重要的措施。通过安装电位监测装置，实时监测金属的电位，并调整阴极保护系统的输出（牺牲阳极的类型和数量，或外加电流电源的输出电流），确保金属的电位稳定在所需的保护电位范围内，避免过低的负电位。
2. 选择合适的阴极保护方式： 对于高强度钢等易受氢脆影响的材料，应慎重选择牺牲阳极的类型。例如，镁合金阳极的驱动电位通常较高，可能比铝合金或锌合金更容易导致过保护。
3. 辅助措施：
阻挡层： 在金属表面涂覆一层能够阻挡氢原子渗透的涂层，如某些环氧树脂涂料。
缓蚀剂： 在电解质中添加能抑制析氢反应的缓蚀剂，同时又不影响阴极保护效果。
退火处理： 对于已经发生氢脆的材料，进行适当的退火处理有时可以析出部分氢，恢复部分韧性，但这通常是在生产制造过程中进行的。
4. 定期监测和评估： 即使采取了预防措施，也应定期对被保护结构进行监测，检查其是否存在氢脆的迹象（如性能衰减），并根据监测结果调整阴极保护参数。
5. 材料选择： 在设计阶段就应充分考虑材料对氢脆的敏感性，尽量选择对氢不敏感的材料，或在可能的情况下，采用经过抗氢脆处理的材料。

总结

阴极保护在特定条件下，特别是当保护电位施加过低、金属材料本身对氢敏感、或在酸性/含硫化物等特定环境下，确实可能导致氢的过量吸收，进而引发氢脆，从而使得其保护效果在实际应用中被氢脆导致的韧性下降所抵消，甚至导致灾难性的结构失效。因此，在设计和实施阴极保护系统时，必须充分了解相关材料的氢脆敏感性，精确控制保护电位，并综合考虑环境因素，采取必要的辅助措施，才能确保阴极保护的长期有效性和结构的安全性。这并非阴极保护的“原罪”，而是技术应用中对细节和潜在风险管理不足所带来的挑战。

阴极保护有很大可能会引发氢脆。因为负电势会改变H的电化学势，使得H更容易在金属中溶解，从而增加材料中的H浓度，导致氢脆。

事实上，把金属接在阴极上，通过电化学方法向金属中注H，是实验室中研究氢脆最常见的一种手段。

下图^[1]给出了980双相钢中H浓度随外接电势的变化，可以清楚的看到，随着电势降低，H浓度呈指数式上升（注意纵轴是对数坐标，且横轴是反向标的）。因此在阴极保护的低电势氛围下，金属发生H脆的概率会显著提高。

参考

1. ^Liu, Qinglong, Evan Gray, Jeffrey Venezuela, Qingjun Zhou, Clotario Tapia‐Bastidas, Mingxing Zhang, and Andrej Atrens. "Equivalent hydrogen fugacity during electrochemical charging of 980DP steel determined by thermal desorption spectroscopy." Advanced Engineering Materials 20, no. 1 (2018): 1700469. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.201700469