海洋工程鋼結構陰極保護新型陽極的研究

高 聰，黃志強，王志強

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

我國現行海洋工程鋼結構陰極保護設計主要執行DNV或NACE標準，依據標準，陽極重量應當同時滿足物料概算和初始電流密度的需求[1－2]。當兩者不同時，為達到保護要求，兩者取其大值，從而造成陽極用量過大的浪費。而通過使用新型陽極，提高陽極表面積與體積比值，即發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電流密度的要求，又能滿足中、后期的陽極質量要求。由此降低犧牲陽極材料的使用量，減少制造／運輸／安裝的工作量、結構的靜／動負荷及重金屬污染。本工作通過室內模擬陰極保護試驗測量系統，對在實驗室條件下常規構型陽極（長條型）與新型陽極（翼型）的陰極保護效果進行對照比較，確認新型陽極的電化學性能及實際可行性。

1 試驗

1.1 試驗水槽

室內陰極保護模擬試驗的水槽設計內部容積為φ600mm×1 050mm。在水槽內注入一定電導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Ag／AgX參比電極、犧牲陽極和鋼板試樣的電位變化，至基本穩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點的開路電位。

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。同時在兩塊鋼試板的暴露面上，以相同的布設位置和方法各安裝一塊犧牲陽極試樣。在所有對比試驗中，鋼試樣的A面設置新型陽極試樣，B面設置常規方條型陽極試樣。

1.3 室內模擬陰極保護試驗測量系統

1.3.1 室內模擬人工測量系統

人工測量部分的鋼試樣僅在兩塊鋼試板的暴露面中心，分別設置一塊常規陽極試樣和一塊新型陽極試樣。鋼試板的暴露面上不設置Ag／AgX參比電極，而是在鋼試板上標出14個檢測點位，位置分布如圖1所示。試驗中選用準確度為0.02級的旋轉式直流電阻箱作為檢測陽極發生電流的采樣電阻，電位檢測使用附帶1m長鹽橋的SCE。

圖1 室內模擬陰極保護人工測量系統示意圖Fig.1 Lab simulation of manual measurement system for cathodic protection

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

1.3.2 室內模擬自動測量系統

該測量系統主要由鋼試樣、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據采集／存儲器等構成，由此自動檢測陽極發生電流值。室內模擬陰極保護自動測量系統見圖2。

試驗條件如下：pH＝7.87，溶解氧7.982mg／L，電導率10.14mS／cm，采樣電阻200m·Ω。

2 結果與討論

2.1 人工測量系統試驗結果

室內模擬陰極保護對比試驗的陽極試樣為A－01和B－01，其構型參考圖3所示。A－01為長直翼型陽極試樣，B－01為方條型陽極試樣。A－01試樣的質量為21.14g，面積為55.7cm2，B－01試樣的質量為23.5g，面積為31.7cm2。顯然，A－01試樣的質量雖略小于B－01試樣，但其面積卻明顯大于B－01試樣。

圖2 室內模擬陰極保護自動測量系統示意圖Fig.2 Lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

圖3 室內模擬陰極保護人工測量系統陽極試樣示意圖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”工作后開始進行鋼試樣A、B兩面檢測點電位與陽極發生電流的對比測量，例選部分試驗結果見圖4～7。

從試驗結果可以看出，雖然A－01試樣的質量小于B－01試樣，但因其面積明顯大于B－01試樣，故接水電阻較小，發生電流較大，使得鋼試板極化趨勢較明顯。由A－01試樣與B－01試樣的初期發生電流和全程發生電流數據估算得知，長直翼型陽極的發生電流約比質量相近的方條型陽極高出20%。

2.2 自動測量系統試驗結果

圖4 A－01與B－01試樣初期發生電流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點位的電位變化Fig.7 The potential change of positions 4，5，10and 11 on plate B

圖8 室內模擬陰極保護自動測量系統陽極試樣示意圖Fig.8 The anode samples of lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

自動測量對比試驗的陽極試樣是長斜翼型陽極試樣和方條型陽極試樣，其構型、尺寸如圖8所示，均為循環伏安試驗后的試樣。A－02試樣的質量為23.6g，面積為45.6cm2，B－02 試樣的質量為22.6g，面積為30.0cm2。雖然A－02試樣的質量略大于B－02試樣，但其面積卻明顯大于B－02試樣。

待數據采集／存儲器的顯示時間距巡檢采樣1min時，接通鋼板與陽極之間采樣電阻使其“短路”工作，開始進行陽極電位及其發生電流的對比測量。例選部分試驗結果見圖9～12。

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

從試驗結果可以看出，在本試驗條件下，A－02因其表面積明顯大于B－02試樣，故接水電阻較小，發生電流較大，使得鋼試樣的極化趨勢較明顯。隨著極化的進程，兩者都表現出“～”形的起伏變化，但B－02試樣的發生電流變動不大，而A－02試樣的發生電流卻逐漸降低，并在80h之后低于B－02試樣的發生電流。這種情況與理想的預期結果相符合，即在能滿足陰極保護的電流密度范圍內，陽極發生電流與相應的陰極保護電流密度越大，被保護體表面上石灰質垢層的形成越快，其面電阻率的增速越快，極化加速而電位負移越快，與陽極的電位差（即驅動電壓）越小，導致陽極發生電流相應減小越快[3－5]。如此循環繼續，使得原先陽極發生電流較大的試樣，逐漸轉化為陽極發生電流較小者，從而節省陽極消耗。另外，如前所述，長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向凹陷隱蔽因素的影響，表現出較好的電化學性能[6]。

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

3 結論

從室內陰極保護模擬試驗結果可以看出，人工測量部分與自動檢測部分的情況相似，所有試驗數據一致表明，長直翼型陽極和長斜翼型陽極要比相同體積（質量）的方條型陽極表現出更好的電化學性能。基于上述試驗結果得知，在對平臺導管架陰極保護設計時，若以長直翼型陽極或長斜翼型陽極替代常規方條型陽極，便可在滿足初期陽極發生電流需求情況下大大減少實際陽極重量。

圖10 A－02與B－02試樣全程發生電流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 陰極保護設計規范[S].

[2]NACE Standard RP0176－2003 海上鋼質固定石油生產構筑物腐蝕控制的推薦做法[S].

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

[4]溫國謀，鄭輔養.海水中陰極保護時鈣質沉積層的形成及其應用[J].腐蝕與防護，1995，16（1）：50－53.

[5]陳紹偉.鋼在海水中的陰極極化特點及陰極保護系統設計中的新途徑[J].腐蝕科學與防護技術，1996，8（1）：1725－1729.

[6]郝宏娜，李自力，王太源，等.陰極保護數值模擬計算邊界條件的確定[J].油氣儲運，2011（7）：504－507.