海泥介質全埋管線陰極保護設計驗證和優化

尹 萍,孫仁興,李海祥,趙永韜

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，青島 266101)

海底鋼制管線采用的防腐蝕措施大多為陰極保護與涂層聯合保護方式，其中陰極保護通常選擇犧牲陽極方法[1]。犧牲陽極埋于地下或安裝于海水介質中，按DNVGL RP B401-2017標準CathodicProtectionDesign單個犧牲陽極的保護周期通常設計為20～30 a。鑒于海底工程設施建設施工復雜，投入成本高等原因，近年來對海底管線防腐蝕設施服役壽命的要求越來越高[2-3]。舟山市某引水工程為國家重大水利工程項目，其中21 km海底管線全埋于海泥中，其犧牲陽極具有無法更換，難以檢查和維修等特點。因此，要求單個犧牲陽極的保護周期達到50 a。海泥環境復雜，且超長時間服役后涂層會老化，因此長期穩定的電化學性能對于全埋于海泥中的犧牲陽極尤為關鍵[4-9]。

在JTS153-2015《水運工程機構耐久性設計標準》中明確提出：海水環境中鋼結構陰極保護犧牲陽極材料應根據環境介質條件選用鋁合金或鋅合金，海泥中應慎用鋁合金。這也是考慮到海泥對陽極驅動電壓和電流效率可能產生的不利影響而提出的警示。因此，以海泥為試驗介質驗證全埋于海泥中且服役時間超長的鋁合金陽極的電化學性能參數是陰極保護設計中關鍵的環節。本工作描述了犧牲陽極陰極保護設計參數的驗證過程，以及由此給陰極保護設計帶來的優化結果。

1 試驗

本試驗采用2種鋁合金陽極，分別是優選組分AZF01型陽極和DNV標準組分AZF02型陽極，其化學成分見表1。根據ISO 15589-2-2012、DNVGL RP F103-2016和NACE Standard TM0190-2006標準，在海泥和相同電阻率的淡海水環境中分別進行了電化學性能加速試驗。試驗前到工程現場取海泥，在實驗室采用伏安法測得海泥的電阻率為70～80 Ω·cm,并配制電阻率相同的淡海水。

表1 兩種陽極的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of two anodes (mass fraction) %

將陽極加工成φ10 mm×50 mm圓柱形試樣，在試樣的下表面鉆φ2 mm的孔并攻絲，連接導電棒。試樣表面經無水乙醇除油，去離子水沖洗，烘干后進行稱量。試樣預留14 cm2的工作面，其余部分用絕緣膠帶封裝。按照DNVGL-RP-B401-2017《陰極保護設計》附錄B的要求通電(第1天至第4天通電電流密度依次為1.5，0.4 ，4.0，1.5 mA/cm2)并進行電位監測(測量電位均相對于飽和甘汞電極而言)，總試驗時間為96 h。試驗結束后，對試樣進行清洗、烘干、稱量，計算其電化學容量、電流效率，觀察陽極試樣的表面溶解形貌。

2 結果與討論

2.1 電化學性能參數

根據DNVGL-RP-B401標準中相關公式，計算AZF01、AZF02型陽極在海泥和淡海水環境中的電化學性能參數，結果如表2所示。由表2可見，在電阻率為70～80 Ω·cm的海泥和淡海水環境中，AZF01型陽極的電容量、電流效率等性能參數均優于AZF02型陽極，且AZF01型陽極在海泥介質中的電化學性能比其在淡海水中的更為突出。

2.2 電位分析

圖1、圖2分別是在海泥和淡海水中AZF01和AZF02型陽極的時間-電位曲線。結果表明：兩種陽極在海泥中的電位相差較大，差值在50～100 mV，AZF01型陽極的電位不大于-1.00 V，AZF02型陽極的電位不大于-0.95 V；而在淡海水環境中，兩者的電位接近，差值小于10 mV。通電第1天至第4天對應的電流密度依次為1.5，0.4，4.0，1.5 mA/cm2，電位曲線趨勢表明所有陽極試樣的電位均隨著電流密度的增大而正移。

表2 兩種陽極在不同環境中的電化學性能Tab. 2 Electrochemical performance of two anodes in different environments

(a) AZF01

(b) AZF02圖1 海泥中AZF01和AZF02型陽極的時間-電位曲線Fig. 1 Curves of time and potential for anodes AZF01 and AZF02 in sea mud

2.3 陽極溶解形貌

犧牲陽極的溶解形貌是評價陽極性能的一個重要指標。如果犧牲陽極表面附著了溶解產物，或者發生了不均勻溶解現象，勢必會影響其服役性能和有效服役壽命[15-17]。

圖3為AZF01和AZF02型陽極的溶解形貌。結果表明：兩種陽極在淡海水中的溶解形貌均優于其在海泥中的。因為在淡海水中，電子擴散/遷移的過程阻力小，陽極溶解均勻，晶粒細化，晶粒細化可以增大晶界面積，在一定程度上降低了低熔點合金元素在晶界上的偏析，使合金組織得到一定程度的改善，從而提高陽極的電化學性能和壽命[15]，這與表1所示陽極電化學性能數據相吻合。

(a) AZF01

(b) AZF02圖2 淡海水中AZF01和AZF02型陽極的時間-電位曲線Fig. 2 Curves of time and potential for anodes AZF01 and AZF02 in brackish water

在海泥中腐蝕后，AZF01型陽極的晶粒更細，溶解更均勻，故預測長期使用后其溶解形貌會比較良好；AZF02型陽極的晶粒大，腐蝕形貌呈現“金屬海綿”狀[15]，相對不均勻，這也是AZF02型陽極電容量和電流效率相對較低的主要原因，因此在陰極保護設計中應謹慎選擇。

2.4 陰極保護設計

分別以AZF01和ZAF02鋁合金材料為舟山市某引水工程海底管線陰極保護的犧牲陽極，通過計算用量，對比兩種陽極的設計結果。該工程的鋼管尺寸為φ820 mm×10 mm，全長21 km,管線全線埋設在海泥1 m以下，保護年限50 a，外部防腐蝕措施采用涂層+犧牲陽極陰極保護的方式[12-13]。鋁合金犧牲陽極為卡箍型。陽極參數：陽極內徑910 mm，厚度60 mm,長度523 mm，縫隙寬度50 mm,每套質量246.5 kg。陰極保護設計參數：海泥電阻率75 Ω·cm，陽極利用系數0.8，防腐蝕層破損率3%(初期)、3.5%(平均)、4%(末期)。參考DNVGL-RP-B401標準的取值方法，陽極電容量設計值按短期試驗結果乘以系數0.8，分別為1 840 Ah/kg 和1 600 Ah/kg；陽極工作電位分別為-1.0 V和-0.95 V；管線陰極保護電位為-0.8 V；管線平均設計電流密度為0.05 A/m2[5-6]。

按照DNVGL-RP-F103-2016標準進行陰極保護設計，分別計算出滿足平均需求電流、末期需求電流和末期保護距離所需陽極數量，最后對陽極設計用量進行確認和校核,結果如表3所示。

由表3可知，海底管線服役周期為50 a，當選用AZF01陽極時，陰極保護設計結果如下：陽極質量246.5 kg/套，陽極數量116套，陽極實際安裝間距181 m，陽極總質量28 594.0 kg。當選用AZF02型陽極時，陰極保護設計結果如下：陽極質量246.5 kg/套，陽極數量155套，陽極實際間距136 m，陽極總質量38 207.5 kg。

表3 在某21 km海底管線陰保設計中滿足不同需求時所需陽極數量Tab. 3 Quantity of anodes meeting different requirements in cathodic protection design of a 21 km subnarine pipeline

3 結論

在海泥和淡海水環境中，常規鋁合金陽極的電化學性能存在很大差異，對陰極保護設計產生較大影響。在海泥中， 優選組分的AZF01型陽極表面溶解更加均勻，工作電位負偏移50 mV，電容量提高260 Ah/kg,電流效率提高10%。推測其在陰極保護運行中后期，保護效果將遠優于DNV標準組分的AZF02陽極。

在超長服役周期全埋設海底管線的陰極保護設計中，由于AZF01型陽極的驅動電壓和電容量設計值比相同條件AZF02型陽極的高，所以陰極保護設計用量可節約25%，在工程的材料用量和施工等環節均可大幅節省成本。