外加電流陰極保護技術(shù)在大型翻板閘門上的應(yīng)用

盧毓穎

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510000）

1 前言

閘門鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命主要取決于閘門鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕效果。腐蝕如果控制不當(dāng)，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損失過多，除加大維修費用外，閘門結(jié)構(gòu)的強度將受到影響，從而影響整個閘門的使用壽命。在國內(nèi)水利系統(tǒng)中，閘門結(jié)構(gòu)除了應(yīng)用重防腐蝕涂層以外，很多閘門還應(yīng)用了犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)聯(lián)合涂料進行保護，并在長江三峽工程臨時船閘的攔污柵、南京三汊河河口閘鋼閘門、浙江曹娥江大閘取得了較好的應(yīng)用效果[1-3]。在Sl 105-2007“水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范”中，也規(guī)定了犧牲陽極陰極保護的應(yīng)用方法[4]。犧牲陽極系統(tǒng)設(shè)計簡單，施工工藝要求不高，后期不需要進行維護。但是犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)也有一些缺點，比如陽極由于存在著自消耗的問題，一般使用壽命不超過15年。對于大型復(fù)雜系統(tǒng)，使用外加電流陰極保護是更好的選擇。在廣州的幾座大型翻板閘門中，由于無檢修閘門的特殊性，要求防腐蝕壽命達(dá)到30年以上。因此，在工程設(shè)計中，創(chuàng)新性的設(shè)計了外加電流陰極保護系統(tǒng)來閘門進行防腐蝕，從現(xiàn)場應(yīng)用的情況和檢測數(shù)據(jù)來看，使用效果非常良好，達(dá)到了業(yè)主的期待和設(shè)計要求。

2 系統(tǒng)簡介

陰極保護作為金屬的腐蝕防護技術(shù)，已經(jīng)有近200多年的發(fā)展歷史了。通過陰極保護系統(tǒng)源源不斷地向鋼鐵表面提供直流電流，從而使鋼鐵表面發(fā)生陰極極化，鋼鐵的電位負(fù)移，達(dá)到保護電位區(qū)的作用。在這個電位區(qū)，鋼板的腐蝕非常輕微。陰極保護系統(tǒng)通常與合適的涂層系統(tǒng)聯(lián)合使用來保護鋼板免于腐蝕。

實現(xiàn)這一目的，通常采用2種方法，第1種是外加電流法，第2種是犧牲陽極法。犧牲陽極方法是將電位較負(fù)的合金材料與被保護結(jié)構(gòu)連接，從而降低被保護結(jié)構(gòu)的電位。在這個過程中，犧牲陽極與被保護結(jié)構(gòu)形成腐蝕電池，犧牲陽極材料作為陽極將不斷消耗，當(dāng)陽極消耗盡了以后，系統(tǒng)就會失效。這也是為什么這種保護方法被稱為犧牲陽極的原因。在水利閘門工程中，一般將陽極直接焊接到閘門表面，圖1為典型的閘門犧牲陽極保護應(yīng)用方法。

這種保護方法一般用于小型閘門，而且多用于提拉式或有檢修條件的閘門，其原因主要是犧牲陽極本身由于自消耗的原因，系統(tǒng)的設(shè)計使用壽命一般不會超過15年。15年的使用壽命對于有檢修條件的閘門或水下結(jié)構(gòu)是可以接受的，因為陽極消耗完以后，可以在檢修閘門時進行增補或替換。但是對于一些大型河口翻板閘門來說，由于閘門長期在水中工作，設(shè)計壽命較長，也沒有檢修條件時，犧牲陽極系統(tǒng)的弊端就顯示出來了。表1為三座翻板式閘門的型式、大小及保護壽命的要求情況。

圖1 犧牲陽極在閘門使用示意圖

表1 閘門規(guī)格

為了使鋼閘門更好地得到保護，特別是達(dá)到設(shè)計要求的30年以上的使用壽命。在深入了解陰極保護原理和陰極保護在其他行業(yè)的應(yīng)用情況后，設(shè)計人員在本行業(yè)中開創(chuàng)性地選用了外加電流陰極保護系統(tǒng)對閘門進行防護。

3 陰極保護系統(tǒng)原理

在淡水環(huán)境中，金屬的腐蝕是氧去極化的電化學(xué)腐蝕，腐蝕通常受陰極控制：

所以，在淡水環(huán)境中，氧的存在是導(dǎo)致金屬腐蝕的根本原因，腐蝕的過程主要受氧向金屬表面擴散過程所控制。如果淡水中不含有氧，則在淡水中金屬是不會腐蝕的。這一點已經(jīng)得到了大家的公認(rèn)[5]。

陰極保護的原理是通過向腐蝕電池的陰極施加一個陰極電流，從而使陰極從平衡電位（腐蝕電位）向負(fù)向偏移，達(dá)到陰極保護電位。從鐵的電位-pH圖可以看出，金屬（鐵，碳鋼）在自然界中的電位約在-0.5 V左右，處于腐蝕區(qū)域，當(dāng)電位負(fù)移到達(dá)-0.85 V或更負(fù)時，就進入到保護電位，此時，鐵的腐蝕電流趨近于零，腐蝕速度基本為零，金屬得到保護[6]。

圖2 鐵的電位-pH圖

從圖2中可以看出，在弱酸或中性pH值下，當(dāng)鐵電位達(dá)到-0.85 V時，進入免蝕區(qū)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到陰極保護電位時，腐蝕減輕程度可通過以下公式進行推算。

假設(shè)某一體系未施加陰極保護時，其腐蝕電位Ecorr為-550 mV，腐蝕電流密度為Jcorr1；施加陰極保護之后，其保護電位為Ecp為-650 mV，于是，其陰極極化值ΔE為-650 mV與-550 mV之差（-100 mV）。設(shè)在-100 mV極化值條件下，被保護對象的腐蝕電流密度為Ja1，由腐蝕電化學(xué)原理可知：

式中：βa1—被保護對象陽極溶解反應(yīng)的塔菲爾斜率。

根據(jù)蘇聯(lián)著名的腐蝕科學(xué)家托馬曉夫的研究結(jié)果表明：鐵在活性區(qū)金屬陽極溶解反應(yīng)的塔菲爾斜率ba為0.06 V，由于ba=2.303βa1，故βa1=26 mV，于是：

理論計算表明，只要施加陰極保護電流使鋼鐵表面電位負(fù)向移動-100 mV時，鋼鐵的腐蝕速度可降低了98%。

同樣當(dāng)陰極保護電位極化達(dá)到-200 mV以后，假設(shè)其它參數(shù)不變，計算鋼鐵的腐蝕速度可以降低99.7%。當(dāng)鋼鐵表面達(dá)到陰極保護電位-0.85 V，即-850 mV時，極化大約在300 mV左右，此時鋼鐵的腐蝕速度可以忽略不計。

通俗一點說，就是當(dāng)腐蝕發(fā)生時，金屬陽極區(qū)會流出電流，而施加陰極保護后，金屬表面由于不斷流入電流，這時腐蝕反應(yīng)會受到抑制，腐蝕電流會減少到很低水平，可以被視為沒有腐蝕。施加陰極電流的方法有犧牲陽極方法和外加電流（強制電流）方法。犧牲陽極的方法如圖1所示，是將電位更負(fù)的金屬或合金直接連接或焊接到金屬表面，從而通過電位更負(fù)犧牲陽極向較正的金屬表面提供電流。

外加電流陰極保護是通過外加直流電源以及輔助陽極，迫使電流從介質(zhì)（土壤、海水、淡水）中流向被保護金屬，使被保護金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境。在陰極保護技術(shù)應(yīng)用比較成熟的石油石化埋地管道工程中，見圖3。

4 閘門外加電流陰極保護系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合水利閘門的結(jié)構(gòu)，土建工程的結(jié)構(gòu)和建造工藝，根據(jù)陰極保護原理，參考石油石化埋地管道陰極保護系統(tǒng)的成功應(yīng)用經(jīng)驗。在三座閘門上設(shè)計了陰極保護系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如下：

圖4 翻板閘門陰極保護系統(tǒng)圖

將長壽命輔助陽極安裝在閘門兩邊，同時在閘門兩邊安裝參比電極。將輔助陽極連接到恒電位儀的正極，將閘門連接到恒電位儀的負(fù)極，將參比電極連接到恒電位儀的參比信號輸入端子。這樣，通過江水這一良好的電解環(huán)境，陰極和陽極之間形成良好的電路通道，可以保護負(fù)極產(chǎn)生的電流源源不斷流入閘門，從而使閘門得到保護。

5 陰極保護系統(tǒng)運行情況和數(shù)據(jù)

三座鋼閘門ABC都于2011年建成并投入使用。陰極保護系統(tǒng)與閘門系統(tǒng)同步設(shè)計，同步施工，同步運行。表2是三座閘門陰極保護系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)。

表2 三座閘門陰極保護系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)測量時間：2011.12

針對閘門的外加電流陰極保護系統(tǒng)制定了相關(guān)的管理和維護制度，并委托專業(yè)廠家進行維護，以保證陰極保護系統(tǒng)能夠持續(xù)正常運行。在2019年對陰極保護電位和保護效果進行了調(diào)查，得到運行數(shù)據(jù)如表3。

表3 三座閘門陰極保護系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)測量時間：2019.8

對閘門的防腐蝕狀況進行了表面檢查，檢查結(jié)果表明，閘門防腐蝕系統(tǒng)效果優(yōu)異，在經(jīng)歷水下使用將近8年，閘門表面涂層基本沒有變化，無返銹，起泡或剝離現(xiàn)象，涂層結(jié)合緊密，狀況良好，見圖5。

圖5 閘門A表面狀況檢查（2019）

6 應(yīng)用效果分析

在美國國家防腐蝕協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)NACE RP0169 “Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems”中，對陰極保護和涂層的設(shè)計使用有如下描述：在設(shè)計管道系統(tǒng)時，外腐蝕控制是首要考慮的因素。材料選擇和涂層是防腐蝕的第一道防線，由于完美的涂層是很難做到的，因此，必須聯(lián)合使用陰極保護[6]。水利工程對閘門的涂層防腐蝕很重視，但是難免涂層在施工過程中有些碰傷或不均勻，還有由于天氣或工藝的問題導(dǎo)致某些局部的缺陷。在這些缺陷部位，水分子比其他部位更容易浸入底層，如果沒有陰極保護，這些水分子很容易與鐵本體發(fā)生發(fā)應(yīng)，由于腐蝕產(chǎn)物氧化鐵的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵原子的體積，這樣會導(dǎo)致涂層鼓泡，從鋼鐵基底剝離，隨著腐蝕的進一步發(fā)生，鼓泡破裂后，水和氧氣將與鋼鐵本體直接接觸，閘門本體將會發(fā)生生銹腐蝕。但在陰極保護系統(tǒng)作用的情況下會發(fā)生，①即使水分滲入涂層底部，鋼鐵也不會發(fā)生腐蝕反應(yīng)，沒有腐蝕反應(yīng)涂層就不會起泡；②在陰極保護系統(tǒng)存在的情況下，水環(huán)境中的陽離子將向閘門表面移動，這些陽離子可在涂層缺陷處或金屬表面沉積，從而形成一層保護膜或彌補缺陷。從圖5也可以看出，閘門表面平整均勻，但表面啞光，似有表面薄層沉積。

從表2和表3總結(jié)了三座閘門陰極保護系統(tǒng)在2011年12月安裝調(diào)試和2019年8月檢查時的閘門表面保護電位。從表中可以看出，閘門表面的陰極保護電位都在-1.0 V以上，國標(biāo)和NACE的標(biāo)準(zhǔn)都要求鋼鐵表面保護電位達(dá)到-0.85 V或更負(fù)（相對于銅/硫酸銅參比電極）。另外，從恒電位儀的輸出來看，隨著陰極保護系統(tǒng)的運行年限增長，輸出電流和電壓并沒有明顯的變化，這也說明目前涂層的狀況與以前相比，并沒有惡化或變差很多，這也從側(cè)面證明了陰極保護系統(tǒng)對涂層的保護作用。

陰極保護系統(tǒng)投入運行后的效果達(dá)到了設(shè)計的初衷，從使用效果來看，也達(dá)到了設(shè)計要求。由于采用了外加電流陰極保護系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)也可以看出，系統(tǒng)的電流可自動調(diào)節(jié)，保證閘門表面的電位達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的-0.85 V以下的要求。

一般設(shè)定陰極保護系統(tǒng)的保護電位在-1.2 V以下，以避免過保護，也節(jié)約了能源。

7 結(jié)論

（1）由于長壽命要求和無檢修條件，在水下翻板閘門防腐蝕體系中引入了外加電流陰極保護這個方法，是一種開創(chuàng)性的設(shè)計方法；

（2）三座閘門的陰極保護應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，在閘門使用外加電流陰極保護是成功的，可以起到保護涂層彌補涂層缺陷，從而保證閘門的長期使用；

（3）對于大型鋼結(jié)構(gòu)閘門，無論是不是翻板結(jié)構(gòu)，建議在設(shè)計過程中根據(jù)項目情況考慮使用外加電流陰極保護系統(tǒng)。