海洋工程結(jié)構(gòu)物快速連接新型犧牲陽極的研究

陽利軍,張國慶,李 妍,劉福國,于 萱

海洋石油工程股份有限公司,天津 300451

犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)主要由均勻布置在結(jié)構(gòu)物上的犧牲陽極組成，通過消耗犧牲陽極本身為結(jié)構(gòu)物提供陰極保護，其優(yōu)點是一次性投入，簡單可靠，不需要維護，保護效果好[1]。

海洋工程結(jié)構(gòu)物的陰極保護電流密度應(yīng)根據(jù)保護初期、中期和后期的不同階段分別設(shè)計。在保護初期，結(jié)構(gòu)物裸鋼表面還未形成鈣質(zhì)沉積層，因此初期極化需要較大的保護電流密度以加速結(jié)構(gòu)物表面極化，加快鈣質(zhì)沉積層的形成，以使結(jié)構(gòu)物能夠在較短時間內(nèi)極化到保護電位[2]；經(jīng)過初期的大電流極化以后，結(jié)構(gòu)物表面已經(jīng)形成鈣質(zhì)沉積層，因此中期穩(wěn)定維持期需要的保護電流密度減小：后期再極化所需保護電流密度較中期高，但因結(jié)構(gòu)物表面已有鈣質(zhì)沉積層及海生物覆蓋，因此后期所需保護電流密度較初期要小。目前，海洋工程常規(guī)用犧牲陽極多為梯形或矩形截面，這種截面的犧牲陽極在不同的保護階段表面積變化較小，不能根據(jù)不同階段保護電流密度的需求靈活提供不同大小的保護電流，因此犧牲陽極的截面形式有待優(yōu)化。

另外，在對海洋石油平臺導(dǎo)管架和海底管道進行陰極保護狀態(tài)檢查時，發(fā)現(xiàn)某一段或某一局部區(qū)域的犧牲陽極存在消耗過快現(xiàn)象，致使一些局部區(qū)域處于欠保護狀態(tài)，如不及時采取有效的補救措施，將可能引發(fā)腐蝕失效風(fēng)險。若采用水下焊接犧牲陽極進行修復(fù)，需要動用多種水下水上設(shè)備配合協(xié)同作業(yè)，費用高昂。

針對上述問題，本文研發(fā)一種可實現(xiàn)水下快速連接的新型犧牲陽極，能夠用于海洋結(jié)構(gòu)物局部陰極保護缺陷的快速修復(fù)。

1 快速連接裝置的研究

為了實現(xiàn)犧牲陽極在被保護結(jié)構(gòu)物上的快速安裝和電連接，研制了一種快速連接卡箍裝置，見圖1?？焖龠B接卡箍裝置的作用是實現(xiàn)水下安裝時快速連接，并保證犧牲陽極與被保護結(jié)構(gòu)桿件之間形成可靠的電連接。快速連接卡箍裝置主要由位于頂端的手柄頂針、環(huán)形卡箍和底部的活動式彈簧張力板組成。電纜線與卡箍上的接線柱相連，實現(xiàn)犧牲陽極與被保護結(jié)構(gòu)桿件的電連接。

圖1 快速連接卡箍裝置

該快速連接卡箍裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，能夠有效降低安裝成本。除了可以為犧牲陽極提供快速電連接，還具備搭載參比電極、固定電纜、固定陰極點等多種功能。

快速連接卡箍裝置的安裝方式如圖2所示。設(shè)計的環(huán)形卡箍直徑略大于被保護的結(jié)構(gòu)桿件，底部的兩片張力板分別由彈簧拉緊。安裝時將兩片張力板扳向卡箍架一側(cè)，使結(jié)構(gòu)桿件能順利滑入環(huán)形卡箍內(nèi)，當(dāng)結(jié)構(gòu)桿件滑入環(huán)形卡箍后，彈簧將張力板拉緊，鋼管滑入后，張力板被彈簧拉緊，緊緊抵住結(jié)構(gòu)桿件，使自身固定在鋼管上。這時輕輕旋轉(zhuǎn)位于頂端的手柄頂針，頂針向下緊緊頂在結(jié)構(gòu)桿件上，通過頂針頂部的尖端與鋼管實現(xiàn)電連接（如果結(jié)構(gòu)桿件表面有涂覆涂層，則應(yīng)旋緊手柄頂針使頂針尖端刺破涂層實現(xiàn)電連接）。在旋轉(zhuǎn)手柄頂針將頂針壓緊結(jié)構(gòu)桿件過程中，桿件向下滑，張力擋板被彈簧拉動使之緊緊抵在鋼管上，保證了整個裝置的固定與電連接。拆卸時只需旋松手柄頂針，搬動張力板即可將快速連接卡箍取下。

圖2 快速連接卡箍安裝示意

2 新型犧牲陽極的研究

研制的新型犧牲陽極結(jié)構(gòu)示意見圖3，截面為“T”形。相比于常規(guī)犧牲陽極，主要增加了較薄的“T”形側(cè)翼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式增加了犧牲陽極的表面積，能夠更好地滿足結(jié)構(gòu)物初期極化所需較大保護電流密度的需求，使被保護結(jié)構(gòu)物能夠在初期實現(xiàn)快速極化[3]，同時由于“T”形側(cè)翼結(jié)構(gòu)部分相對較薄，在初期快速極化被消耗后，犧牲陽極的截面基本上恢復(fù)到常規(guī)的梯形截面，后續(xù)提供的保護電流降低，從而與中期穩(wěn)定維持期需要的較小保護電流密度匹配。通過初期加速極化，使得結(jié)構(gòu)物表面快速形成鈣質(zhì)沉積層，整體上降低犧牲陽極的用量，節(jié)約了成本。

圖3 新型犧牲陽極結(jié)構(gòu)示意/mm

海洋工程結(jié)構(gòu)物陰極保護裝置中使用的犧牲陽極多為鋁基犧牲陽極[4]。本文研究的新型犧牲陽極為鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，其組成成分見表1。

表1 新型鋁基犧牲陽極成分

根據(jù)GB/T 17848—1999《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》，對新型犧牲陽極進行了電化學(xué)性能測試[5]，計算了實際電容量和犧牲陽極的消耗率，結(jié)果見表2。從表2可以看出，新型犧牲陽極的電化學(xué)性能符合GB/T 4948—2002《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極》中的實際電容量≥2 400 Ah/kg和消耗率≤3.65 kg/(A·a)的要求[6]。

表2 新型犧牲陽極的電化學(xué)性能

3 快速連接新型犧牲陽極樣機研制及實際海洋測試

3.1 快速連接新型犧牲陽極樣機研制

在快速連接卡箍裝置和新型犧牲陽極的研究基礎(chǔ)上研制了快速連接新型犧牲陽極樣機，如圖4所示?？焖龠B接新型犧牲陽極樣機主要由犧牲陽極吊艙（包括吊耳、支架和支腳等支撐結(jié)構(gòu)）、快速連接卡箍及連接電纜組成。

圖4 快速連接犧牲陽極樣機示意

為了對比測試新型犧牲陽極和常規(guī)犧牲陽極的性能，分別采用相同質(zhì)量的新型犧牲陽極和常規(guī)犧牲陽極制作了犧牲陽極樣機，上部是由角鋼焊接的正方形框架，框架上安裝有吊環(huán)，方便吊裝；底部也是由角鋼焊接而成的正方形框架，框架的每個角有一個角鋼支腳，保證整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，如圖5所示。其中每根犧牲陽極質(zhì)量約50 kg，總質(zhì)量200 kg。

圖5 犧牲陽極樣機

3.2 快速連接新型犧牲陽極樣機實際海洋測試

設(shè)備樣機制作完成后進行一年的實際海洋測試，測試新型犧牲陽極和常規(guī)犧牲陽極發(fā)生電流的變化，并對比其性能。

測試地點選擇在青島海洋腐蝕研究所海水試驗站內(nèi)，試驗站內(nèi)的海水處于流動狀態(tài)，為新鮮的天然海水，有一定的含沙量，可以較好地模擬犧牲陽極的實際工作環(huán)境。試驗站內(nèi)在天文大潮時最低潮位水深仍可達4 m左右，天文大潮水深可到8 m，保證了犧牲陽極的全天候不間斷運行。海水流速0.1～0.5 m/s，便于測試犧牲陽極與結(jié)構(gòu)物電連接的可靠性。采用ZF-10B數(shù)據(jù)采集存儲器采集數(shù)據(jù)，采集器為高精度多通道電流采集器，可同時采集4路電流。

圖6為試驗樣機在實際海洋測試3個月左右的照片，從圖中可以看出新型犧牲陽極和常規(guī)犧牲陽極表面均溶解均勻，未見局部腐蝕脫落或坑洞，尺寸變化微小。

圖6 實際海洋測試照片

圖7～圖10為實際海洋測試犧牲陽極發(fā)生電流對比圖，分別對應(yīng)的實際海洋測試時間是300 h、3個月、6個月、10個月。從圖7可以看到實際海洋測試的前300 h新型犧牲陽極較常規(guī)犧牲陽極發(fā)生電流多出50%。犧牲陽極發(fā)生電流呈現(xiàn)周期性變化，原因是發(fā)生電流隨潮汐變化，24 h為一周期，漲潮時發(fā)生電流逐漸增加，退潮發(fā)生電流減小。測試結(jié)果驗證了“T”形截面新型陽極能夠在初期發(fā)出較大保護電流。

圖7 前300 h犧牲陽極發(fā)生電流對比

圖8 第3個月犧牲陽極發(fā)生電流對比

圖9 第6個月犧牲陽極發(fā)生電流對比

圖10 第10個月犧牲陽極發(fā)生電流對比

從圖8中可以看出3個月后新型犧牲陽極與常規(guī)犧牲陽極發(fā)生電流大小趨勢發(fā)生改變，新型犧牲陽極發(fā)出電流最大值和最小值分別為1.7 A和0.8 A，常規(guī)犧牲陽極發(fā)出電流最大值和最小值分別為2.1 A和1.0 A，新型犧牲陽極較常規(guī)犧牲陽極發(fā)出電流低20%左右，表現(xiàn)出“節(jié)約”陽極特征；分析原因為新型犧牲陽極初期發(fā)生電流大，鋼結(jié)構(gòu)快速極化達到保護，后期需要電流減小，而常規(guī)犧牲陽極未表現(xiàn)出此特點，可為后期大型犧牲陽極實際海洋性能測試的系統(tǒng)設(shè)計、實施方案提供參考依據(jù)。從圖9和圖10可以看出新型犧牲陽極和常規(guī)犧牲陽極發(fā)生電流規(guī)律與第3個月基本相同，新型陽極都表現(xiàn)出節(jié)約陽極特征，同時犧牲陽極的發(fā)生電流隨潮汐和季節(jié)水溫的不同有所變化。

4 結(jié)論

（1）新型犧牲陽極截面為“T”形，犧牲陽極表面積增加，在初期能夠提供更大的保護電流，加快被保護結(jié)構(gòu)物的初期極化，在結(jié)構(gòu)物表面加速形成鈣鎂沉積層，降低中后期的保護電流密度需求，整體上提高結(jié)構(gòu)物的陰極保護效果，并可節(jié)約犧牲陽極用量。

（2）快速連接裝置可以由潛水員或者水下機器人ROV在水下完成快速連接施工，不需要進行水下焊接工作，可以節(jié)約大量的水下施工成本。

（3）快速連接新型犧牲陽極適用于海洋結(jié)構(gòu)物的局部陰極保護缺陷的快速修復(fù)。