海洋工程鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)新型陽極的研究

高 聰，黃志強(qiáng)，王志強(qiáng)

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

我國(guó)現(xiàn)行海洋工程鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)主要執(zhí)行DNV或NACE標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，陽極重量應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足物料概算和初始電流密度的需求[1－2]。當(dāng)兩者不同時(shí)，為達(dá)到保護(hù)要求，兩者取其大值，從而造成陽極用量過大的浪費(fèi)。而通過使用新型陽極，提高陽極表面積與體積比值，即發(fā)生電流與陽極重量的比值，可以使新型陽極既滿足初期保護(hù)電流密度的要求，又能滿足中、后期的陽極質(zhì)量要求。由此降低犧牲陽極材料的使用量，減少制造／運(yùn)輸／安裝的工作量、結(jié)構(gòu)的靜／動(dòng)負(fù)荷及重金屬污染。本工作通過室內(nèi)模擬陰極保護(hù)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)在實(shí)驗(yàn)室條件下常規(guī)構(gòu)型陽極（長(zhǎng)條型）與新型陽極（翼型）的陰極保護(hù)效果進(jìn)行對(duì)照比較，確認(rèn)新型陽極的電化學(xué)性能及實(shí)際可行性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)水槽

室內(nèi)陰極保護(hù)模擬試驗(yàn)的水槽設(shè)計(jì)內(nèi)部容積為φ600mm×1 050mm。在水槽內(nèi)注入一定電導(dǎo)率的海水或稀釋海水（用麥島海水與自來水配制），靜置約2h，其間用飽和甘汞電極（SCE）檢測(cè)Ag／AgX參比電極、犧牲陽極和鋼板試樣的電位變化，至基本穩(wěn)定后記錄參比電極電位、犧牲陽極的開路電位和試樣各檢測(cè)點(diǎn)的開路電位。

1.2 試樣

陰極選用2塊1 000mm×600mm×3mm的Q235B鋼板，先用360號(hào)砂紙打磨，將其表面除銹磨光，再用丙酮擦拭干凈。其中兩塊試板的各自一面為暴露面，中間用PVC板作為絕緣隔離層。同時(shí)在兩塊鋼試板的暴露面上，以相同的布設(shè)位置和方法各安裝一塊犧牲陽極試樣。在所有對(duì)比試驗(yàn)中，鋼試樣的A面設(shè)置新型陽極試樣，B面設(shè)置常規(guī)方條型陽極試樣。

1.3 室內(nèi)模擬陰極保護(hù)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

1.3.1 室內(nèi)模擬人工測(cè)量系統(tǒng)

人工測(cè)量部分的鋼試樣僅在兩塊鋼試板的暴露面中心，分別設(shè)置一塊常規(guī)陽極試樣和一塊新型陽極試樣。鋼試板的暴露面上不設(shè)置Ag／AgX參比電極，而是在鋼試板上標(biāo)出14個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位，位置分布如圖1所示。試驗(yàn)中選用準(zhǔn)確度為0.02級(jí)的旋轉(zhuǎn)式直流電阻箱作為檢測(cè)陽極發(fā)生電流的采樣電阻，電位檢測(cè)使用附帶1m長(zhǎng)鹽橋的SCE。

圖1 室內(nèi)模擬陰極保護(hù)人工測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Lab simulation of manual measurement system for cathodic protection

試驗(yàn)條件如下：溫度21℃，pH＝7.39，溶解氧10.05mg／L，電 導(dǎo) 率 10.72mS／cm，采 樣 電 阻200m·Ω。

1.3.2 室內(nèi)模擬自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

該測(cè)量系統(tǒng)主要由鋼試樣、犧牲陽極試樣、Ag／AgX參比電極、精密取樣電阻、采樣器中繼接線板和數(shù)據(jù)采集／存儲(chǔ)器等構(gòu)成，由此自動(dòng)檢測(cè)陽極發(fā)生電流值。室內(nèi)模擬陰極保護(hù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)見圖2。

試驗(yàn)條件如下：pH＝7.87，溶解氧7.982mg／L，電導(dǎo)率10.14mS／cm，采樣電阻200m·Ω。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)模擬陰極保護(hù)對(duì)比試驗(yàn)的陽極試樣為A－01和B－01，其構(gòu)型參考圖3所示。A－01為長(zhǎng)直翼型陽極試樣，B－01為方條型陽極試樣。A－01試樣的質(zhì)量為21.14g，面積為55.7cm2，B－01試樣的質(zhì)量為23.5g，面積為31.7cm2。顯然，A－01試樣的質(zhì)量雖略小于B－01試樣，但其面積卻明顯大于B－01試樣。

圖2 室內(nèi)模擬陰極保護(hù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

圖3 室內(nèi)模擬陰極保護(hù)人工測(cè)量系統(tǒng)陽極試樣示意圖Fig.3 The anode samples of lab simulation of manual measurement system for cathodic protection

接通鋼板與陽極之間采樣電阻使其“短路”工作后開始進(jìn)行鋼試樣A、B兩面檢測(cè)點(diǎn)電位與陽極發(fā)生電流的對(duì)比測(cè)量，例選部分試驗(yàn)結(jié)果見圖4～7。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然A－01試樣的質(zhì)量小于B－01試樣，但因其面積明顯大于B－01試樣，故接水電阻較小，發(fā)生電流較大，使得鋼試板極化趨勢(shì)較明顯。由A－01試樣與B－01試樣的初期發(fā)生電流和全程發(fā)生電流數(shù)據(jù)估算得知，長(zhǎng)直翼型陽極的發(fā)生電流約比質(zhì)量相近的方條型陽極高出20%。

2.2 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 A－01與B－01試樣初期發(fā)生電流Fig.4The initial current of sample A－01and B－01

圖5 A－01與B－01試樣全程發(fā)生電流Fig.5 The whole current of sample A－01and B－01

圖6 鋼試板A面4、5、10、11點(diǎn)位的電位變化Fig.6 The potential change of positions 4，5，10and 11 on plate A

圖7 鋼試板B面4、5、10、11點(diǎn)位的電位變化Fig.7 The potential change of positions 4，5，10and 11 on plate B

圖8 室內(nèi)模擬陰極保護(hù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)陽極試樣示意圖Fig.8 The anode samples of lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

自動(dòng)測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)的陽極試樣是長(zhǎng)斜翼型陽極試樣和方條型陽極試樣，其構(gòu)型、尺寸如圖8所示，均為循環(huán)伏安試驗(yàn)后的試樣。A－02試樣的質(zhì)量為23.6g，面積為45.6cm2，B－02 試樣的質(zhì)量為22.6g，面積為30.0cm2。雖然A－02試樣的質(zhì)量略大于B－02試樣，但其面積卻明顯大于B－02試樣。

待數(shù)據(jù)采集／存儲(chǔ)器的顯示時(shí)間距巡檢采樣1min時(shí)，接通鋼板與陽極之間采樣電阻使其“短路”工作，開始進(jìn)行陽極電位及其發(fā)生電流的對(duì)比測(cè)量。例選部分試驗(yàn)結(jié)果見圖9～12。

圖9 A－02與B－02試樣初期發(fā)生電流Fig.9 The initial current of sample A－02and B－02

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在本試驗(yàn)條件下，A－02因其表面積明顯大于B－02試樣，故接水電阻較小，發(fā)生電流較大，使得鋼試樣的極化趨勢(shì)較明顯。隨著極化的進(jìn)程，兩者都表現(xiàn)出“～”形的起伏變化，但B－02試樣的發(fā)生電流變動(dòng)不大，而A－02試樣的發(fā)生電流卻逐漸降低，并在80h之后低于B－02試樣的發(fā)生電流。這種情況與理想的預(yù)期結(jié)果相符合，即在能滿足陰極保護(hù)的電流密度范圍內(nèi)，陽極發(fā)生電流與相應(yīng)的陰極保護(hù)電流密度越大，被保護(hù)體表面上石灰質(zhì)垢層的形成越快，其面電阻率的增速越快，極化加速而電位負(fù)移越快，與陽極的電位差（即驅(qū)動(dòng)電壓）越小，導(dǎo)致陽極發(fā)生電流相應(yīng)減小越快[3－5]。如此循環(huán)繼續(xù)，使得原先陽極發(fā)生電流較大的試樣，逐漸轉(zhuǎn)化為陽極發(fā)生電流較小者，從而節(jié)省陽極消耗。另外，如前所述，長(zhǎng)斜翼型陽極試樣可能因其外向角邊活化因素的作用大于內(nèi)向凹陷隱蔽因素的影響，表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能[6]。

圖12 鋼試板B面2、5、7點(diǎn)位的電位變化Fig.12The potential change of positions 2，5and 7 on plate B

3 結(jié)論

從室內(nèi)陰極保護(hù)模擬試驗(yàn)結(jié)果可以看出，人工測(cè)量部分與自動(dòng)檢測(cè)部分的情況相似，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致表明，長(zhǎng)直翼型陽極和長(zhǎng)斜翼型陽極要比相同體積（質(zhì)量）的方條型陽極表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果得知，在對(duì)平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，若以長(zhǎng)直翼型陽極或長(zhǎng)斜翼型陽極替代常規(guī)方條型陽極，便可在滿足初期陽極發(fā)生電流需求情況下大大減少實(shí)際陽極重量。

圖10 A－02與B－02試樣全程發(fā)生電流Fig.10 The whole current of sample A－02and B－02

圖11 鋼試板A面2、5、7點(diǎn)位的電位變化Fig.11The potential change of positions 2，5and 7 on plate A

[1]DNV RP B401（2010）2011 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]NACE Standard RP0176－2003 海上鋼質(zhì)固定石油生產(chǎn)構(gòu)筑物腐蝕控制的推薦做法[S].

[3]朱志平，于萍.陰極保護(hù)中鈣鎂沉積層的形成與影響[J].化工腐蝕與防護(hù)，1995（1）：20－23.

[4]溫國(guó)謀，鄭輔養(yǎng).海水中陰極保護(hù)時(shí)鈣質(zhì)沉積層的形成及其應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù)，1995，16（1）：50－53.

[5]陳紹偉.鋼在海水中的陰極極化特點(diǎn)及陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的新途徑[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1996，8（1）：1725－1729.

[6]郝宏娜，李自力，王太源，等.陰極保護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算邊界條件的確定[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011（7）：504－507.