海洋工程用新型犧牲陽極設計與性能研究(Ⅲ)
——中尺寸陽極實海試驗研究

張偉，楊海洋，陳亞林，尹鵬飛，劉福國，張國慶，韓冰，李向陽

（1.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266071；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；4.鋼鐵研究總院，北京 100081）

海洋工程用新型犧牲陽極設計與性能研究(Ⅲ)
——中尺寸陽極實海試驗研究

張偉1,2，楊海洋1,2，陳亞林1,2，尹鵬飛1,2，劉福國3，張國慶3，韓冰1,2，李向陽4

（1.青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，山東 青島 266071；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266071；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；4.鋼鐵研究總院，北京 100081）

目的通過構型優化設計一種新型犧牲陽極，使其在與常規陽極質量相當的前提下，增加初期發生電流，使被保護體較快極化到保護電位，后期發生電流降低，滿足平均和末期保護電流需要，達到節約犧牲陽極用量的目的。方法通過在傳統梯形陽極兩側增加兩個翼翅優化設計出新型犧牲陽極，并針對中等規格尺寸的新型陽極與常規陽極進行實海試驗。結果質量與常規陽極相近的新型陽極，初期發生電流增加11%，而后逐漸增加到18%，被保護體優先極化到保護電位。翼翅消耗完全后，新型陽極與常規陽極均呈圓柱形，發生電流亦與常規陽極相當。結論所設計的新型犧牲陽極在與常規陽極質量相當的前提下，可使被保護體較快極化到保護電位，節約了犧牲陽極用量。

海洋工程；陰極保護；犧牲陽極；新型陽極

為了使海上鋼質固定石油生產構筑物快速極化到保護電位，降低初期腐蝕風險，同時快速形成鈣鎂沉積層，降低后期對保護電流需求，國內外陰極保護標準均在初期設計了較大的保護電流密度，一般初期設計電流密度值為平均保護電流密度的2倍、末期保護電流密度的1.5倍以上[1—3]。由于初期時間較短，一般不超過1年，相對于設計壽命15～30年平臺來說時間非常短，為了滿足初期電流需求安裝大量的犧牲陽極，造成巨大浪費。

以傳統梯形陽極為基礎，在陽極兩側增加兩個翼翅，設計了一種新型犧牲陽極，通過增加表面積，降低接水電阻，從而增加初期電流輸出[4]。受邊緣效應影響，新型陽極翼翅優于本體快速溶解，其表面積迅速減小，發生電流隨之降低，初期極化完成后，翼翅也消耗完全，剩余本體陽極發生電流可以滿足平均和末期較小的保護電流需要，達到節約陽極用量的目的[5]。

筆者前期針對小尺寸新型陽極和常規陽極分別進行了室內靜態海水和實際動態海水的對比試驗，結果表明，通過在常規陽極兩側增加兩翼而增加其表面積，降低接水電阻，增加初期發生電流的設計思路是可行的。研究發現，在實海試驗中，犧牲陽極的發生電流和被保護體極化過程與靜態海水環境呈現較大差異，在180 h試驗周期內施加了2.5倍于設計值的保護電流密度，亦未能將被保護體極化到保護電位區間。前期試驗用犧牲陽極尺寸小、消耗快、壽命短，實海試驗僅獲得了常規陽極與新型陽極初期發生電流的差異，未觀察到新型陽極翼翅溶解過程與其陽極發生電流的相關性，以及被保護體極化過程及陽極電化學容量和電化學效率等電化學參數的差異性。正是基于以上原因，開展了中等規格尺寸的新型陽極與常規陽極實海試驗。

1 試驗部分

1.1 犧牲陽極設計與篩選

圖1 兩種犧牲陽極截面（單位：mm）

圖2 兩種犧牲陽極表面照片

作為對比，設計了新型陽極和常規陽極各一種，兩種陽極截面尺寸和表面照片見圖1和圖2，長度均為300 mm。參照DNV-RP-B401長條形陽極接水電公式，新型陽極（質量小于常規陽極約5%）在與常規陽極質量相當的條件下，初期發生電流增加增大16%，具體設計參數見表1。犧牲陽極材料為國標A13鋁-鋅-銦-硅陽極[6]，犧牲陽極的制樣、篩選、測試與評價與室內和實海試驗相同[7]。

表1 新型陽極和常規陽極設計參數對比

1.2 實海試驗

被保護體為正方體鋼結構框架，犧牲陽極安裝在幾何中心的支架上，支架與陽極支架間放置絕緣膠片。3支微型參比電極放置到正方體框架的典型代表區域，定期用飽和甘汞電極校準各參比電極，見圖3。犧牲陽極對被保護體的發生電流和陰極保護表面電位等參數由多通道數據采集與存儲儀完成。為了在試驗的不同階段獲得陽極的剩余尺寸數據，以便于計算并建立發生電流與陽極尺寸相關性的動態模型，試驗過程中使用軟毛刷定期清理了陽極表面的腐蝕產物。

圖3 參比電極和犧牲陽極在被保護鋼結構框架上的相對位置

參照NACE標準[2]，常規陽極初期設計發生電流為0.66 A，初期保護電流密度為150 mA/m2，被保護正方體框架體底面和兩個對稱側面焊接鋼板網，被保護體有效面積為4.354 m2。實海試驗在青島海洋腐蝕研究所海水試驗場完成，試驗時間段為2014年11月至2015年2月，海水溫度為2～15 ℃，pH為8.0，海水電導率為47.00 ms/cm，鹽度為3.025%，海水流速為5～15 cm/s。

2 結果與討論

2.1 發生電流與保護電位對比

質量相近的新型陽極與常規陽極在112天內的發生電流對比結果如圖4所示?？梢钥闯?，陽極發生電流均呈現出逐漸降低的變化趨勢，原因是犧牲陽極與鋼結構接通后，犧牲陽極與被保護鋼結構的自腐蝕電位差值——驅動電壓較大，因此，初期發生電流大。隨著被保護體電位逐漸極化負移，驅動電壓降低，電極輸出電流隨之逐漸減小。

圖4 試驗階段新型陽極和常規陽極發生電流對比

新型陽極與鋼結構接通瞬間，發生電流為1170 mA，高出設計發生電流52%，常規陽極發生電流為1050 mA，高出設計值60%。對于初期發生電流高于設計值的現象，筆者認為主要是驅動電壓的選值問題，國內海洋工程犧牲陽極設計普遍參照SY/T10008[3]，驅動電壓為250 mV，而NACE SP0176推薦值的驅動電壓為300 mV，實際上試驗初期電位差可以達到400 mA（鋁陽極自腐蝕電位-1050 mV與碳鋼海水中自腐蝕電位-650 mV之間的電位差，相較于Ag/AgCl 參比電極，下同）。因此，初期發生電流高于設計值應是初期驅動電壓較大的結果，與前期室內和實海小尺寸陽極的結果相一致[7]。

新型陽極較常規陽極初期發生電流增加11.4%，小于設計值16%，而后逐漸增加，25天時增加到最大值18%，后發生電流增加值迅速降低，試驗后期維持在高于常規陽極2%。實際上，無論常規陽極還是新型陽極，其發生電流隨時間的延長都是逐漸降低的，只不過是新型陽極相較于常規陽極發生電流降低的幅度逐漸減小，從而使得其相對于常規陽極發生電流增加值逐漸增大。出現這種現象的原因可能是新型陽極逐漸活化的結果：與常規陽極相比，新型陽極本體與翼翅之間存在一個夾角，頂角附近區域相對其他區域受到一定程度的電場屏蔽，致使該區域活化較慢，所以初期發生電流相較于常規陽極增加值較小，后期隨著陽極表面屏蔽區域逐漸活化，增加值逐漸增大。

圖5是被保護鋼結構框架上3#參比電極處的保護電位及其變化趨勢，在48天時，新型陽極保護下的鋼結構框架上3#位置電位均達到-800 mV，以此為判據，認為整個被保護鋼結構達到保護電位區間（實際上可能并非如此，只是方便試驗結果的對比而已），常規陽極在70天左右才達到保護電位區間?？梢?，被保護體達到保護電位區間的時間與保護電流密度大小呈正相關性，電流密度越大，被保護體達到保護電位區間需要的時間越短。

圖5 鋼結構框架3#參比電極處表面電位及其變化趨勢

從陽極發生電流隨時間的變化曲線上還可以看出，新型陽極初期的發生電流為1170 mA，陰極體（被保護鋼結構）獲得的保護電流密度為269 mA/m2，48天內的平均保護電流密度為184 mA/m2，高于標準設計[1—3]保護電流密度150 mA/m2，卻直到48天才將被保護體極化到保護電位區間。常規陽極保護的鋼結構，初期保護電流密度為240 mA/m2，32天時，保護電流密度亦達到150 mA/m2左右，卻直到70天才將被保護體極化到保護電位。

在前期的小尺寸陽極實海試驗中，被保護鋼結構起始1 h內獲得保護電流密度達到263 mA/m2，在接下來的100 h內平均保護電流密度222 mA/m2，竟未將其極化到保護電位區間。靜態海水中小尺寸犧牲陽極試驗結果表明，在鋼試樣與犧牲陽極接通的1 h內，保護電流密度在100～102 mA/m2，被保護體表面電位均迅速極化到-920 mV。然后，盡管陽極發生電流逐漸降低，但表面極化電位依然緩慢負移，即使保護電流密度降低到30 mA/m2，表面電位穩定在-980 mV。靜態與動態海水試驗中鋼試樣極化行為的差異在前期的試驗研究中已有詳細解釋，主要與海水流動增加陰極去極化速度和鈣鎂沉積層沉積和覆蓋過程緩慢有關，在此不再累述。實際上，在海洋環境中犧牲陽極保護下的導管架平臺通常在3～12個月時間才極化到保護電位區間[8—9]。

綜上可知，新型陽極初期設計發生電流較常規陽極增加16%，而實際增加11%，而后逐漸增加到18%，原因應該是新型陽極本體與翼翅之間區域受到一定程度的電場屏蔽，致使該區域活化較慢的結果。實海環境中，新型陽極在48天時才將被保護鋼結構極化到保護電位區間，盡管這期間的保護電流密度達到了183 mA/m2；常規陽極保護的鋼結構，初期保護電流密度為240 mA/m2，32天時降低到150 mA/m2左右，第70天才將被保護體極化到保護電位?？梢姡瑢嵑－h境中，鋼結構極化過程受海水流動影響較大[10]，極化到保護電位區間所需要的時間遠比靜態海水環境長。

2.2 表面形貌與電化學參數對比

圖6是第47天和112天試驗結束時的陽極表面照片。對比試驗前的表面照片（見圖2）可以看出，47天時常規陽極棱角溶解明顯，到112天時，常規陽極由長方體溶解呈圓柱體，截面呈圓形。47天時，新型陽極翼翅溶解明顯，呈鋸齒狀，112天時，新型陽極的翼翅溶解殆盡，最終與常規陽極形狀相近，亦呈圓柱形，與預先構想的陽極溶解規律相一致。

常規和新型陽極電化學容量和電化學效率的對比見表2?？梢钥闯觯滦完枠O的電化學容量和電化學效率均高于常規陽極。需要指出的是，常規陽極的電化學容量均低于國標[6]要求的2400A·h/kg，電化學效率亦低于國標要求的85%。出現這種現象的主要原因是：在試驗的不同階段，為了獲取準確的常規陽極和新型陽極的剩余尺寸數據（為后期建立陽極溶解模型提供基礎數據），試驗人員使用毛刷定期清理了陽極表面的腐蝕產物，這一操作可能會使得與腐蝕產物結合部分的陽極本體被清理，從而使得陽極的電化學容量和電化學效率降低。

圖6 試驗不同時間后犧牲陽極的表面形貌照片

表2 新型陽極和常規陽極實海試驗陽極質量與電化學性能對比

由此，該次試驗的陽極電化學效率和電化學容量結果僅作為參考。筆者之所以將此兩組數據進行對比分析，原因在于后期特意開展了另一組常規陽極和新型陽極實海對比試驗，期間未對陽極腐蝕產物進行清理，結果發現，新型陽極的電化學容量分別為2737 A·h/kg和2638 A·h/kg，高于2578 A·h/kg的常規陽極，而電化學效率分別達到了91%和89%，高于87%的常規陽極。出現這種現象的原因將在后期的研究試驗報告中進行詳細探討。

結合常規陽極和新型陽極的發生電流和表面溶解形貌規律研究發現，質量相近的新型陽極和常規陽極，由于新型陽極增設了翼翅，使得其表面積增加，接水電阻降低，增加了初期發生電流，被保護鋼結構優先達到保護電位區間，而后隨著陽極翼翅的快速溶解消耗而成圓柱形，發生電流迅速降低，末期達到了與常規陽極相近的發生電流。

3 結論

1）與常規陽極質量相近的新型陽極，初期發生電流低于設計值，后逐漸活化達到并超過設計值，使得被保護體較快極化到保護電位，縮短了初期極化的時間，降低了初期腐蝕風險。

2）實驗過程中，新型陽極的翼翅優于本體陽極快速溶解，翼翅溶解殆盡后形狀與常規陽極后期一致，均為圓柱形，發生電流亦迅速降低與常規陽極相近的發生電流，與設計結果相一致。

3）常規陽極和新型陽極保護的鋼結構，盡管初期獲得的保護電流密度遠大于設計值，但卻歷經較長時間（新型陽極48天，常規陽極70天）才被極化到保護電位區間，說明實海環境海水流動使得鋼結構極化過程緩慢，極化到保護電位的周期更長。

[1] DNV Standard DNV-RP-B401-2010, Cathodic Protection Design[S].

[2] NACE SP0176-2007, Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Steel Offshore Structures Associated with Petroleum Production[S].

[3] SY/T 10008—2010, 海上鋼質固定石油生產構筑物的腐蝕控制[S].

[4] 張經磊. 犧牲陽極的電阻公式[J]. 海洋科學, 1987, 11(5): 54—58.

[5] 中國海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司.異型截面犧牲陽極: 中國, CN101463479A[P]. 2009-06-24.

[6] GB/T 4948—2002, 鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極[S].

[7] 張偉, 尹鵬飛, 張有慧, 等. 海洋工程用新型犧牲陽極設計與性能研究(Ⅰ)——小尺寸陽極靜態海水試驗研究[J]. 裝備環境工程, 2016, 13(2): 63—70.

[8] 常煒, 栗艷霞, 徐桂華, 等. 海上平臺陰極保護原位監測系統[J]. 中國海上油氣(工程), 1999, 11(3): 27—30.

[9] 陳武, 楊洋, 龍云, 等. 海洋石油平臺導管架陰極保護的實施和改進[J]. 石油化工腐蝕與防護, 2014, 31(5): 44—47.

[10] 劉福國, 武素茹, 王秀通, 等. 流動海水對Q235鋼外加電流陰極保護的影響[J]. 材料保護, 2010, 43(8): 17—20.

Design and Performance of New Sacrificial Anode for Marine Engineering (Ⅲ)—Experimental Study on Marine Environment of Middle Size Anode

ZHANG Wei1,2, YANG Hai-yang1,2, CHEN Ya-lin1,2, YIN Peng-fei1,2, LIU Fu-guo3, ZHANG Guo-qing3, HAN Bing1,2, LI Xiang-yang4
(1.Qingdao NCS Testing and Protection Technology Co., Ltd., Qingdao 266071, China; 2.Qingdao Research Institute for Marine Corrosion, Qingdao 266071, China; 3.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China; 4.Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)

ObjectiveTo design a new anode with configuration optimization to increase the current output in the initial stage, polarize the cathode protected rapidly, decrease current output in the later stage and meet the needs of the average and the end protection current demand, so as to achieve the purpose of saving sacrificial anode, under the premise of similar quality with conventional anode.MethodsTwo wings of optimization design were added at both sides of the traditional anode to design a new sacrificial anode. Sea test in allusion to new anode and conventional anode of medium di-mension was carried out.ResultsCompared with the conventional anode, the current output of new anode in the initial stage increased by 11%, and then increased to 18%, which promoted the polarization of cathode to the protection potential rapidly. After the wings were completely consumed, both new anode and conventional anode were cylindrical, and their current output was equivalent.ConclusionOn the premise of similar quality with conventional anode, the new anode can promote the polarization of cathode protected to the protection potential and saves sacrificial anode.

marine engineering, cathodic protection, sacrificial anode, new anode

10.7643/ issn.1672-9242.2017.02.009

TJ04；TG174.2

A

1672-9242(2017)02-0046-05

2016-11-24；

2016-12-14

張偉（1980—），男，河南人，博士，高級工程師，主要研究方向為金屬腐蝕與防護。