海洋工程用新型犧牲陽極設計與性能研究（Ⅱ）——小尺寸陽極實海試驗研究

張偉，尹鵬飛，劉福國，張國慶，楊朝暉，李向陽，王慶璋

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海洋工程用新型犧牲陽極設計與性能研究（Ⅱ）——小尺寸陽極實海試驗研究

張偉1,2，尹鵬飛1,2，劉福國3，張國慶3，楊朝暉1,2，李向陽4，王慶璋5

（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；5.中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100）

目的設計一種新型犧牲陽極，滿足海洋工程鋼結構陰極保護不同時期保護電流需求，達到節約犧牲陽極用量的目的。方法通過改變常規陽極面積與質量比，分別設計面積相同和質量相同的新型陽極和常規陽極，并進行實海環境陰極保護對比試驗。結果質量與常規陽極相同的新型陽極，初期發生電流增加22%，試驗階段發生電流增加48%；面積與常規陽極相同的新型陽極，在節約陽極質量近50%的基礎上，顯現了與常規陽極相近的發生電流。結論通過增加常規陽極面積與質量比，降低接水電阻，增加發生電流設計思路可行。

海洋工程；陰極保護；犧牲陽極；新型陽極

保護電流密度是海洋工程水下鋼結構陰極保護的重要設計參數，我國一般參照DNV和NACE標準[1—2]。平臺下水初期，設計了較大的初期保護電流密度，意在將鋼結構快速極化到保護電位區間，一是避免結構腐蝕風險，二是在鋼結構表面快速形成鈣鎂沉積層，從而降低后期對保護電流的需求。由于初期（一般小于1年）相對于平臺服役期（一般15~30年）非常短，因此為滿足初期計劃需要而安裝的大量犧牲陽極，在后期造成巨大浪費。如南海惠州的某2005年服役的導管架平臺，犧牲陽極設計壽命15年，2015年檢測發現犧牲陽極的消耗量不足20%，照此推算，剩余陽極壽命可繼續使用20年以上。設計一種既滿足初期大電流極化需求，又滿足平均和末期較小保護電流需求的犧牲陽極是國內外腐蝕工程師和科學家關注的焦點。鎂包鋁[3—6]和鋁包鋁復合犧牲陽極[7—8]就是為滿足這一需要而開發，復合犧牲陽極的結構形式、材質、發生電流及其優缺點已有詳細報道，在此不再累述。

文中的設計思路是：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[1—2]。由于邊緣效應影響，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，理想的結果是初期極化完成后，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[9—10]。前期開展了相同面積和相同質量的兩組常規陽極與新型陽極的室內靜態海水對比試驗[11]，而對服役于實際海洋環境中的鋼結構、海水流速、溫度、pH、鹽度、壓力等環境參數均會影響到犧牲陽極的電化學性能和鋼結構的極化行為。為有針對性地設計優化新型陽極結構，開展了常規陽極與新型陽極實海對比試驗。

1 試驗

1.1 犧牲陽極設計與篩選

新型陽極和被保護的鋼試樣稱為A，共2種，分別是A1和A2，常規陽極也是2種，為B1和B2，A1和B1陽極為一組進行對比試驗，A1和B1質量相近，但A1較B1面積增加75%；A2和B2為一組，A2質量約為B2的50%，但面積相同。新型陽極A1和A2分別稱為A1陽極和A2陽極，常規陽極B亦然；被A1和A2陽極保護的鋼試樣分別稱為A1和A2陽極鋼試樣，B1和B2陽極稱呼亦然。陽極材料成分和循環伏安法篩選犧牲陽極的制樣、測試與評價與室內靜態海水試驗相同[11]。

新型陽極和常規陽極的形狀和尺寸見圖1、表1和表2，其中，表2是常規陽極和新型陽極尺寸、質量和面積對比結果。

表1 新型陽極和常規陽極設計尺寸

表2 新型陽極和常規陽極質量與表面積對比

1.2 實海試驗

將兩張1000 mm×1000 mm×3 mm Q235B鋼板試樣除銹磨光，用丙酮紗布擦拭干凈。將一張與鋼試樣相同尺寸的PVC隔離板打磨干凈后兩面涂覆環氧樹脂分別粘接一張鋼試樣，形成一對陰極保護對比實驗用鋼試樣，見圖2a。兩張鋼試樣幾何中心各布置一支新型陽極和常規陽極，對稱位置布置8支Ag/AgX參比電極[12]，見圖2b，其中參比電位①位于犧牲陽極下部，測定的是犧牲陽極的開閉路電位，參比④測定的是陽極近處鋼試樣表面電位，參比②，⑤和⑦分別位于鋼試樣各區域幾何中心，參比③，⑥和⑧分別位于鋼試樣幾何邊緣。定期用飽和甘汞電極校準各參比電極，陽極對鋼試樣的發生電流和鋼試樣表面電位等參數由多通道數據采集與存儲儀完成。

實海試驗在青島海洋腐蝕研究所海水試驗場完成。試驗期間的海水溫度為20~25 ℃，pH為8.00，海水電導率47.00 mS/cm，鹽度3.025%，試驗區域海水流速5~15 cm/s。鋼試樣用纜繩懸掛全浸在海水中，距海底約20 cm。為使A，B鋼試樣盡可能地保持與海水接觸情況對稱相同，在吊裝固定鋼試樣時將其縱向與海流方向相同，使得在漲落潮時海水能從A，B鋼試樣的兩面切向而過。

2 結果與討論

2.1 相同質量陽極對比試驗

質量相同的A1和B1陽極在100 h內發生電流對比結果如圖3所示。可以看出，兩種陽極發生電流變化趨勢相同，0~15 h迅速降低，15~100 h緩慢降低。犧牲陽極與鋼試樣接通瞬間，A1陽極發生電流為276 mA，B1陽極為220 mA，A1較B1增加25.5%；起始1 h內，A1平均發生電流為263 mA，B1為215 mA，增加22.3%；在整個試驗階段，A1平均發生電流為222 mA，B1為150 mA，高于常規陽極48%?？梢钥闯?，在與常規陽極相同質量的前提下，經過構型優化后的新型陽極發生電流提高了22%~48%。

A1和B1鋼試樣表面3#，6#和8# 參比電極處電位及其變化趨勢如圖4所示。犧牲陽極與被保護鋼試樣接通后，陰極極化使得鋼試樣表面均快速負移，在20 h左右，邊緣處均極化到－0.75 V左右。20 h以后，A1鋼試樣保護電位持續負移，在60 h左右極化接近－0.80 V，但并未超越該值極化到保護電位區間[1—2]；而B1鋼試樣，直到試驗結束，邊緣處保護電位均在－0.75 V以下。

從A1和B1陽極發生電流和鋼試樣表面電位變化結果可以看出，相同質量的新型陽極，經過構型優化，使其發生電流較常規陽極初期增加22%，試驗階段全程增加48%。A1鋼試樣起始1 h內保護電流密度為263 mA/m2，在近100 h內平均保護電流密度為222 mA/m2，竟未將其極化到保護電位區間，與室內靜態海水試驗鋼試樣極化行為表現出較大的差異性。靜態海水中[11]，100 mA/m2保護電流密度下，鋼試樣在1 h內極化到－0.92 V。

靜態與動態海水試驗中鋼試樣極化行為的差異與海水的流動狀態相關。首先，海水流動增加了陰極去極化劑-——溶解氧向金屬表面的傳輸速度，使得陰極還原反應速度增加，與靜態相比，金屬極化到相同保護電位所需要的電流更大，因此極化過程緩慢。其次，研究表明，金屬表面具有有效保護作用的鈣鎂沉積層的沉積覆蓋可以使其保護電流需求快速（成10倍）降低[1—2]。海水的流動使得金屬表面的pH值降低，鈣鎂沉積層主要成分是碳酸鈣和氫氧化鎂形成和析出困難[13—14]，加之海水流動沖刷使得鈣鎂沉積層難以有效附著覆蓋，因此，保護電流需求難以降低，持續維持在較大值。

可見，實海環境中，海水流動加強了陰極去極化過程，降低了金屬表面的pH值，使得與靜態相比，保護電流需求更大，極化到保護電位的時間更長。在下組對比試驗中，試圖通過增加陽極發生電流和延長極化時間將其極化到保護電位。

試驗結束后A1和B1陽極的表面形貌如圖5所示?？梢钥闯?，新型陽極和常規陽極的邊角部位優先溶解，對于新型陽極，相較于陽極本體，翼翅部位幾乎消耗殆盡，翅根部位呈現出鋸齒狀，這種溶解特征是表面邊緣效應的結果，與設計思路相一致[11]。

由以上可知，實海環境下，與相同質量的常規陽極B1相比，通過構型優化，新型陽極A1表面積增加75%，使得初期發生電流較常規陽極增加22%，試驗階段發生電流增加48%。

2.2 相同面積陽極對比試驗

由前述相同質量A1和B1陽極實海試驗結果可知，A1鋼試樣初期保護電流密度為263 mA/m2，全程（約100 h）平均保護電流密度為222 mA/m2，竟未將其極化到保護電位區間。因此，本試驗A2陽極相較于A1質量增加了30%。

相同面積的新型陽極與常規陽極發生電流變化趨勢如圖6所示，犧牲陽極與鋼試樣接通時，A2陽極發生電流為310 mA，B2為295 mA，兩者差別5%；在起始的1 h內，A2平均發生電流318 mA，B2為303 mA，差別5%；在整個實驗階段的180 h內，A2平均發生電流為252 mA，B2為232 mA，差別8.5%。

A2和B2鋼試樣3#，6#和8#參比電極處表面電位隨時間的變化如圖7所示?？梢钥闯?，兩個鋼試樣邊緣處在試驗初期的20 h內均迅速極化到－0.8 V附近，但并未越過此電位進入到保護電位區間，而在后期均緩慢下降。A2鋼試樣在180 h試驗結束時，電位下降到－0.73 V，B2鋼試樣下降到－0.75 V。A2鋼試樣起始階段保護電流密度為318 mA/m2，在整個試驗階段得到保護電流密度達到252 mA/m2，是NACE推薦的南中國海初期陰極保護設計電流密度100 mA/m2的2.5倍以上。相較于A1和B1約100 h的極化時間，本試驗將保護時間延長到180 h，亦未使被保護體進入到保護電位區間。

可見，實海環境下，海水的流動使得金屬表面難以形成有效的鈣鎂沉積層，即使在較大的保護電流密度下（如本試驗為設計值的2.5倍），亦不能使被保護基體快速（如本試驗180 h）進入到保護電位區間。實際上，實施犧牲陽極保護的導管架平臺從下水到極化到保護電位－0.80 V，一般需要3~12個月，極化時間與平臺下水季節（水溫）和服役海域海水流動狀態相關[15—16]。由于本試驗選擇的陽極尺寸較小，難以長期維持較大陽極電流輸出，故未能將被保護鋼結構極化到保護電位，未能觀測到新型陽極在節約質量的前提下，既滿足初期極化需求，又滿足后期維持極化需求，實現與常規陽極相當的保護效果。針對這一問題，已在后期的試驗中予以改進，并取得了預期的效果，這一成果亦將在后續工作中予以介紹。

試驗結束后A2和B2陽極的表面形貌如圖8所示。相較于A1和B1陽極，A2陽極質量增加了30%，因此表面消耗不及A1和B1陽極明顯?？梢钥闯觯噍^于A1和B1，A2和B2陽極溶解較為均勻，常規陽極B2棱角溶解明顯，向圓柱形收縮，新型陽極A2翼翅邊緣和兩端溶解明顯，向常規陽極本體收縮，與預設的溶解行為相符。

可見，通過構型優化，在實海環境中，與常規陽極B1質量相當的新型陽極A1，初期發生電流增加22%，試驗階段發生電流增加48%；新型陽極A2在質量僅為常規陽極46%的基礎上，實現了與常規陽極B2相當的發生電流。說明通過在常規陽極兩側增設翼翅，增加初期發生電流設計思路可行，實海試驗結果達到了預設的目標。

3 結論

1）實海環境中，通過構型優化設計的新型陽極A1，在與常規陽極質量相當的基礎上，初期發生電流增加22%，試驗階段發生電流增加48%；新型陽極A2，在節約陽極質量近50%的基礎上，顯現了與常規陽極相近的發生電流。

2）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，可見，實海環境中，海水的流動對陰極保護過程影響大，陰極極化過程慢，極化周期長。

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Design and Performance Research of New Type Sacrificial Anode Used in Marine Engineering (Ⅱ)——Experimental Study on Marine Environment of Small Size Anode

ZHANG Wei1,2, YIN Peng-fei1,2, LIU Fu-guo3, ZHANG Guo-qing3, YANG Zhao-hui1,2, LI Xiang-yang4,WANG Qing-zhang5

(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; 5.College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Objective To design a new type sacrificial anodes to meet the demand of protective current in different periods of marine engineering steel structures and save sacrificial anodes. Methods By changing the area to weight ratios of the conventional anodes, conventional anodes and new type anodes of similar areas and qualities were designed. Comparative tests on cathodic protection in marine environment were carried out. Results For new anode of similar qualities with the conventional anode, its current outputs increased by 22% at the initial stage and 48% throughout the test; for another type new anode with area the same as conventional anode, it saved nearly 50% by mass and realized the current outputs similar to that of conventional anode. Conclusion It is feasible to increase the current outputs by increasing the area to weight ratios of conventional anodes and reducing the anode-to-electrolyte resistance.

marine engineering; cathodic protection; sacrificial anode; new type anode

10.7643/ issn.1672-9242.2017.03.020

TJ04; TG174.2

A

1672-9242(2017)03-0101-06

2016-10-13；

2016-11-07

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。