海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估方法

張文鋒，陳韜，劉凱，李云飛，李秋實，3，曹忠露，3

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津港灣工程質(zhì)量檢測中心有限公司，天津300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；3.天津市水下隧道建設(shè)與運維技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津300461）

0 引言

犧牲陽極由于性價比較高、海水中性能優(yōu)良等特點，被廣泛用于海水環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護。其中，鋁合金犧牲陽極使用最為廣泛。然而，我國沿海有大量回淤港口，隨著淤積程度不斷加劇，服役于其中的犧牲陽極常會被海泥不同程度掩埋[1]。當(dāng)設(shè)計用于海水環(huán)境的鋁合金犧牲陽極被海泥掩埋，被動服役于海泥環(huán)境中時，工作性能可能會下降甚至過早失效[2]。犧牲陽極安裝之初，表面狀態(tài)良好，通常會均勻溶解，但服役一段時間后，表面往往會被海生物（如牡蠣、藤壺等）覆蓋[3]，可能造成犧牲陽極不均勻溶解，進(jìn)而影響犧牲陽極使用效果和壽命。因此，有必要對海洋回淤環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽極系統(tǒng)進(jìn)行定期檢測評估，以便及時采取處理措施，保障犧牲陽極正常運行和使用壽命。

國內(nèi)外有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[2，4-8]給出了犧牲陽極使用年限的計算公式，而現(xiàn)行行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)[9]有涉及犧牲陽極檢測評估的相關(guān)內(nèi)容，但主要針對海水中鋼結(jié)構(gòu)的犧牲陽極系統(tǒng)，基本未考慮回淤帶來的相關(guān)問題，如海泥環(huán)境中犧牲陽極的工作效能、泥面升高鋼結(jié)構(gòu)保護電流需求量減少等，不適用于海洋回淤環(huán)境下的犧牲陽極系統(tǒng)。既有犧牲陽極檢測評估中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)犧牲陽極被海泥掩埋后，通常僅對被掩埋犧牲陽極進(jìn)行記錄或描述，而不考慮回淤帶來的相關(guān)問題[10]。本文針對海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)，提出一種剩余壽命檢測評估方法。

1 海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估基本思路

犧牲陽極陰極保護是由與被保護體耦合的犧牲陽極提供保護電流的陰極保護[2]。根據(jù)法拉第定律，犧牲陽極消耗所產(chǎn)生的電量（保護電流×保護時間）與其消耗的質(zhì)量成正比。由此可知，當(dāng)獲知犧牲陽極總質(zhì)量和被保護體所需保護電流時，便可得到犧牲陽極系統(tǒng)使用年限。定義產(chǎn)生單位電容量（如1 A·a）所消耗的犧牲陽極質(zhì)量為消耗率[2]，可得到犧牲陽極使用年限計算公式如下：

式中：t為犧牲陽極使用年限，a；M為犧牲陽極質(zhì)量，kg；E為犧牲陽極消耗率，kg/（A·a）；I為被保護體所需保護電流，A，即被保護體所需保護電流密度與保護面積的乘積。

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)檢測得到海洋回淤環(huán)境下的犧牲陽極剩余質(zhì)量、犧牲陽極消耗率和被保護體所需保護電流，便可通過相關(guān)公式得到海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命?；赜賹?dǎo)致犧牲陽極被掩埋后，犧牲陽極工作性能有所下降，海泥中犧牲陽極的消耗率E將有所增大；同時，回淤使得泥面升高，導(dǎo)致水下區(qū)面積減小、泥下區(qū)面積增大，被保護體所需保護電流I有所下降?？梢?，綜合考慮上述兩個因素有助于提高回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估的準(zhǔn)確性。根據(jù)以上思路，本文提出了海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估步驟。

2 海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估步驟

海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估包括犧牲陽極有效凈重獲得、海泥掩埋犧牲陽極消耗率獲取、鋼結(jié)構(gòu)所需維持保護電流取得和犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命計算4個步驟。其中，海泥掩埋犧牲陽極消耗率獲取可采用理論計算、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗3種方式；考慮到回淤海泥沉積時間較短，性質(zhì)與原泥下區(qū)海泥性質(zhì)有所不同，將泥下區(qū)分為回淤區(qū)和原泥下區(qū)，故鋼結(jié)構(gòu)所需維持保護電流為鋼結(jié)構(gòu)水位變動區(qū)、水下區(qū)、回淤區(qū)和原泥下區(qū)所需維持保護電流之和。圖1為海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估流程圖。

圖1 海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命檢測評估流程圖Fig.1 Flow diagram for detection and assessment of remaining life for sacrificial anode system in marine siltation environment

2.1 犧牲陽極有效凈重

首先從被保護鋼結(jié)構(gòu)上取樣數(shù)塊犧牲陽極并進(jìn)行表面清理，然后測量各犧牲陽極的凈重和體積元素，并通過數(shù)學(xué)方法建立犧牲陽極凈重與體積元素的函數(shù)關(guān)系，接著測量鋼結(jié)構(gòu)上所安裝犧牲陽極的體積元素，并通過相關(guān)公式計算某個犧牲陽極的有效凈重。犧牲陽極凈重指在清理表面后犧牲陽極本體的質(zhì)量，即犧牲陽極毛重減去鋼芯及焊腳的質(zhì)量。犧牲陽極系統(tǒng)在服役過程中，除向被保護鋼結(jié)構(gòu)提供保護電流外，有部分會因自腐蝕、局部脫落、不均勻溶解等原因異常消耗。犧牲陽極有效凈重指向被保護鋼結(jié)構(gòu)提供保護電流所消耗的陽極本體質(zhì)量。犧牲陽極體積元素是指計算犧牲陽極體積所用的邊長、周長、高度或直徑等元素。

犧牲陽極有效凈重獲得的具體步驟如下：

1）現(xiàn)場取樣相關(guān)區(qū)域的n塊犧牲陽極，清理犧牲陽極表面，稱重并記錄犧牲陽極的毛重mi，i為犧牲陽極編號，i=1，…，n。

2）根據(jù)犧牲陽極形狀確定體積計算公式V[C（j）]，C（j）為犧牲陽極體積元素，j為體積元素編號，j=1，…，a。

3）測量并記錄現(xiàn)場取樣1～n號犧牲陽極的體積元素實測值C（i，j），i=1，…，n；j=1，…，a。

4）根據(jù)犧牲陽極毛重mi、體積元素實測值C（i，j）和鋼芯及焊腳質(zhì)量mx，并通過線性回歸、多元線性回歸或最小二乘擬合等數(shù)學(xué)方法，建立犧牲陽極凈重Mn與體積元素C（j）的函數(shù)關(guān)系Mn=F[C（j）]。

5）現(xiàn)場測量并記錄安裝在鋼結(jié)構(gòu)上b個犧牲陽極的體積元素實測值C（k，j），k為現(xiàn)場被檢安裝在鋼結(jié)構(gòu)上犧牲陽極的編號，k=1，…，b。

6）根據(jù)犧牲陽極原始毛重M0，計算1～b號犧牲陽極的有效凈重Me（k），k=1，…，b。其中，第k號犧牲陽極有效凈重Me（k）計算公式如下：

式中：Me（k）為第k號犧牲陽極有效凈重，kg；F（·）為犧牲陽極凈重與體積元素的函數(shù)關(guān)系；C（k，j）為第k號犧牲陽極體積元素實測值，m；M0為犧牲陽極原始毛重，kg；mx為鋼芯及焊腳質(zhì)量，kg；fu為犧牲陽極利用系數(shù)，%。

2.2 海泥掩埋犧牲陽極消耗率

海泥掩埋犧牲陽極消耗率可通過理論計算、室內(nèi)試驗或現(xiàn)場試驗3種方式獲取。

2.2.1 理論計算

海泥掩埋犧牲陽極消耗率Egn理論計算公式：

式中：Egn為海泥掩埋犧牲陽極消耗率，kg/（A·a）；Ql為犧牲陽極理論電容量，A·h/kg；ηs為犧牲陽極在海水中的電流效率，%；KEgn1為修正因子（0＜KEgn1≤1）。

2.2.2 室內(nèi)試驗

現(xiàn)場取樣相關(guān)區(qū)域的海泥及犧牲陽極材料，然后通過室內(nèi)電化學(xué)性能試驗獲取犧牲陽極在海泥中的電流效率ηn，并根據(jù)理論容量Ql計算海泥掩埋犧牲陽極消耗率Egn：

式中：ηn為室內(nèi)試驗測得的犧牲陽極在海泥中的電流效率，%；KEgn2為修正因子（0＜KEgn2≤1）；其他參數(shù)同式（3）。

2.2.3 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場相關(guān)區(qū)域原位安裝同類材質(zhì)的犧牲陽極及對電極試件組合，然后在現(xiàn)場進(jìn)行電化學(xué)性能試驗，獲得犧牲陽極在海泥中的電流效率ηx，并根據(jù)理論容量Ql計算海泥掩埋犧牲陽極消耗率Egn：

式中：ηx為現(xiàn)場試驗測得的犧牲陽極在海泥中的電流效率，%；KEgn3為修正因子（0＜KEgn3≤1）；其他參數(shù)同式（3）。

2.3 海洋回淤環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)所需維持保護電流

現(xiàn)場測量待測區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)所處位置水深Ds，得到水下區(qū)高度Hs和泥下區(qū)高度Hn，并根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)形狀及原始數(shù)據(jù)獲得鋼結(jié)構(gòu)的水位變動區(qū)表面積Sb、水下區(qū)表面積Sx、回淤區(qū)表面積為Sh和原泥下區(qū)表面積Sn。隨后根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在相應(yīng)腐蝕區(qū)帶的涂裝面積St，涂層破損率fp和所需維持保護電流密度iw，計算待測區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)所需維持保護電流Iw：

式中：Iw為鋼結(jié)構(gòu)所需維持保護電流，A；Sb、Sx、Sh和Sn分別為鋼結(jié)構(gòu)水位變動區(qū)、水下區(qū)、回淤區(qū)和原泥下區(qū)表面積，m2；Stb、Stx、Sth和Stn分別為鋼結(jié)構(gòu)在水位變動區(qū)、水下區(qū)、回淤區(qū)和原泥下區(qū)的相應(yīng)涂裝面積，m2；fpb、fpx、fph和fpn分別為鋼結(jié)構(gòu)水位變動區(qū)、水下區(qū)、回淤區(qū)和原泥下區(qū)的涂層破損率，%；iwb、iwx、iwh和iwn分別為鋼結(jié)構(gòu)水位變動區(qū)、水下區(qū)、回淤區(qū)和原泥下區(qū)所需維持保護電流密度，A/m2。

2.4 海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命計算

現(xiàn)場檢測待測區(qū)域海水中h塊犧牲陽極的體積元素為C（x，y），分別將其代入式（2）有效凈重計算公式，得到h塊犧牲陽極的有效凈重Me（x）。其中，x=1，2，…，h；y=1，…，q。待測區(qū)域海泥中犧牲陽極有g(shù)塊，那么待測區(qū)域犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命tr計算如下：

式中：tr為犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命，a；Me（x）為第x號犧牲陽極的有效凈重，kg；Eg為犧牲陽極在海水中的消耗率，kg/（A·a）；Egn為海泥掩埋犧牲陽極消耗率，kg/（A·a）；μ為海泥掩埋犧牲陽極利用率（0≤μ≤1）；h為待測區(qū)域海水中犧牲陽極數(shù)量，塊；g為待測區(qū)域海泥掩埋犧牲陽極數(shù)量，塊；γ為安全系數(shù)，通常取1.00～1.50。

3 算例

某碼頭鋼管樁采用鋁合金犧牲陽極陰極保護，設(shè)計保護年限20 a，至今運行5 a。碼頭某排架A、B軸各安裝3塊犧牲陽極（分別為上層、中層和下層），C、D軸各安裝2塊犧牲陽極（分別為上層和下層），E、F、G、H、K軸各安裝1塊犧牲陽極，共計15塊犧牲陽極。檢查過程中發(fā)現(xiàn)，由于回淤導(dǎo)致泥面升高，3個排架鋼管樁A、B軸的下層陽極和G、H、K軸的陽極已被海泥掩埋。圖2為碼頭某排架鋼管樁犧牲陽極系統(tǒng)安裝示意圖。根據(jù)泥面標(biāo)高測量及設(shè)計資料查閱所得數(shù)據(jù)，計算得到水位變動區(qū)、水下區(qū)、泥下區(qū)的涂裝和裸鋼面積及其所需維持保護電流，見表1。

圖2 碼頭某排架鋼管樁犧牲陽極系統(tǒng)安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of sacrificial anode system for a steel pipe pile bent of a wharf

表1 某排架鋼管樁不同區(qū)的涂裝和裸鋼面積及其所需維持保護電流Table 1 Painted and bare steel areas in different zones of a bent steel pipe pile and their required maintenance protection currents

犧牲陽極規(guī)格為（220+260）mm×230 mm×1 000 mm；犧牲陽極毛重M0為158.8 kg；鋼芯及焊腳質(zhì)量mx為12.5 kg；犧牲陽極理論電容量Ql為2 889 Ah/kg，電流效率ηs為90%，犧牲陽極在海泥中修正因子KEgn1為0.65；犧牲陽極利用系數(shù)fu為90%；海泥掩埋犧牲陽極利用率μ為0.95；安全系數(shù)γ為1.00。評估該排架犧牲陽極系統(tǒng)的剩余壽命。

該排架犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命的檢測評估過程如下：

1）犧牲陽極有效凈重

現(xiàn)場取樣3塊犧牲陽極，編號為1—3，根據(jù)犧牲陽極外觀確定體積計算公式，見式（8）；測量犧牲陽極體積元素的剩余尺寸并稱重，結(jié)果見表2。

式中：Vy為犧牲陽極體積，cm3；Ws為犧牲陽極上寬，cm；Wx為犧牲陽極下寬，cm；Hy為犧牲陽極高度，cm；Ly為犧牲陽極長度，cm。根據(jù)1—3號犧牲陽極毛重、犧牲陽極剩余尺寸、鋼芯及焊腳質(zhì)量，通過線性擬合建立犧牲陽極有效凈重與體積元素的函數(shù)關(guān)系如下：

式中：Mex為海水中犧牲陽極有效凈重，kg；其他參數(shù)含義同式（8）。根據(jù)式（9）和犧牲陽極剩余尺寸計算4～10號犧牲陽極有效凈重，結(jié)果見表2。

表2 犧牲陽極剩余尺寸和有效凈重Table 2 Remaining sizes and effective net weights of the sacrificial anodes

2）海泥掩埋犧牲陽極消耗率

根據(jù)式（3）計算可知，海泥掩埋犧牲陽極消耗率Egn為5.18 kg/（A·a）。

3）碼頭某排架鋼管樁所需維持保護電流

根據(jù)式（6）計算可知，碼頭某排架鋼管樁所需維持保護電流Iw為27.730 A，見表1。

4）該排架犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命計算

根據(jù)式（7）計算可知，該排架犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命為14.3 a。

若按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和慣例，通常忽略回淤帶來的影響，不考慮海泥中犧牲陽極的工作效能和泥面升高后鋼結(jié)構(gòu)保護電流需求量減少這兩個因素，據(jù)此計算所得剩余壽命為10.9 a，比本文方法計算所得剩余壽命小3.4 a。若忽略回淤帶來的影響，按此剩余壽命提前采取處理措施，將造成額外成本。本文方法考慮回淤帶來的綜合影響，更接近回淤環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)犧牲陽極所處實際工況，有助于提高回淤環(huán)境鋼結(jié)構(gòu)犧牲陽極剩余壽命評估的準(zhǔn)確性，避免因過早采取處理措施而造成的額外成本。但需指出，被海泥掩埋犧牲陽極的電化學(xué)性能會隨著海泥性質(zhì)、使用時間和溫度而變化[2]。隨著犧牲陽極被掩埋時間的延長，其電化學(xué)性能可能進(jìn)一步下降，從而導(dǎo)致上述兩種評估方法所得剩余壽命的差值減小。建議定期檢測評估，及時掌握犧牲陽極系統(tǒng)剩余壽命相關(guān)信息。

4 結(jié)語

本文針對海洋回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)，綜合考慮海泥中犧牲陽極的工作效能和泥面升高后鋼結(jié)構(gòu)保護電流需求量減少這兩個因素，提出了一種更準(zhǔn)確的海洋回淤環(huán)境犧牲陽極剩余壽命檢測評估方法，避免因過早采取處理措施而造成的額外成本，便于在合理時間及時采取處理措施，確保在經(jīng)濟適用的條件下，保障鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護效果和年限。