犧牲陽極的性能監測及壽命預測技術研究

劉昊天 王金光 張曉勇 徐學利 單汗青 張浩強

（1. 西安石油大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710065；2. 北京安科腐蝕技術有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著我國海洋強國戰略的不斷推進，當前已有眾多已經建成和正在建設的海上平臺、海底管道、港口碼頭、跨海大橋等大型海洋基礎設施[1]，犧牲陽極保護法是這些海洋基礎設施最常采用的陰極保護方法[2,3]。犧牲陽極陰極保護法由于具有電流分散能力好、易于管理和維護，費用相對較低等優點[4,5]，已經廣泛用于各種海洋設備的腐蝕防護[6,7]。當前發展成熟的犧牲陽極主要有純鎂及鎂合金陽極、純鋅及鋅合金陽極、鋁合金陽極和鐵合金陽極。其中，鋅合金犧牲陽極具有較高的電流效率，對金屬設施保護效果較好，具有資源豐富，制造工藝簡單，電化學性能優良等特點,而且鋅合金熔點低,流動性好,易熔焊，目前已成為應用最廣的犧牲陽極材料之 一[8-10]。關于該陽極材料在水中的腐蝕機理對其性能的影響，國內已有相關報道，而關于鋅犧牲陽極材料使用壽命的預測，未見相關報道。

犧牲陽極陰極保護系統的設計壽命一般為10～15a[11,12]，為準確掌握水中鋅陽極消耗情況，并正確評估對設備的保護狀況。實驗采用電化學測試和加速浸泡實驗，系統地分析了鋅陽極在水中的腐蝕狀況及電化學特征，計算犧牲陽極實際消耗率，最終推算陽極剩余使用壽命，從而驗證了智能排流器對鋅犧牲陽極狀況傳輸和對鋅犧牲陽極壽命預測的準確性。這為類似工程防腐蝕設計時關鍵的參數選擇提供參考，也為設計運行多年的海洋設備的有效保護提供技術支持和科學依據。

1 實驗驗證方案設計

本實驗驗裝置主要由輔助陰極（與管道同材質圓筒狀）、實驗容器、恒流電源（直流電源輸出電壓不小于20V，輸出電流不小于3A）、直流電壓表、智能排流器、陽極試樣（鋅合金犧牲陽極）共6部分組成。如圖1所示。實驗用恒流電源采用漢晟普源HSPY 36-03可調直流穩壓穩流電源，稱重儀使用精確到小數點后2位的天平秤。

圖1 實驗裝置

在規定的實驗周期內，通過改變流經陽極試樣的電流密度，每8h左右測量陽極試樣的工作電位，并在實驗結束后計算陽極試樣的平均腐蝕速率和實驗誤差，并觀測陽極試樣的溶解情況，以此對陽極試樣電化學性能進行分析。

帶狀鋅陽極的電化學性能如表1所示，將陽極在實驗前采用砂紙（400～1500號）逐級打磨試樣表面后，用蒸餾水清洗，再用無水乙醇去除表面的污漬，隨后及時將試樣放入烘箱，烘干30min，烘箱溫度設定為100±5℃，取出后盡快放入干燥器內，將陽極掛片自然冷卻至室溫后進行稱量。將陽極試樣置于人造海水中進行電化學實驗，水浴溫度控制為25℃，給定初始電流為1.845A；在8h后更變為3.045A。每隔8h左右將試樣取出，去除表面腐蝕產物，干燥后稱量。稱量結束后將實驗容器洗刷干凈，換水并重新制造模擬環境，重復上述步驟直至實驗結束。

表1 鋅犧牲陽極性能

犧牲陽極實驗已消耗質量按照式（1）進行 計算：

式中，I為總電流，A；T為設計壽命，y；Z為理論電容量，A；W為犧牲陽極已消耗重量，kg。

為簡化計算，在考慮年平均消耗基本一致的情況下，陽極剩余質量基本能夠滿足預期設計使用壽命，即剩余10～15a，但是設備隨時間遷移其表面涂層破損程度越來越大，防腐性能變差，導致犧牲陽極在后期損耗速率逐漸增大。盡管此時犧牲陽極還未被完全耗盡，但已不能繼續提供最小的的陰極保護電流。犧牲陽極的此種狀態，本實驗由利用系數U來定義，利用系數一般介于0.5～0.9之間，具體取決于其運行狀態，利用系數越大，壽命越長。所以在計算犧牲陽極剩余使用年限時采用以下公式，利用犧牲陽極理論消耗率計算壽命如公式（2）所示：

式中，L為陽極壽命，a；I為流出犧牲陽極的平均電流，A，包含用于排流和犧牲陽極陰極保護系統的陰極保護電流；Wt為犧牲陽極現有質量，kg；Cr為犧牲陽極理論消耗率，kg/A·a，鋅陽極取10.76kg/A·a；U為利用系數，0.5～0.9；E為電流效率，%，鋅陽極取90%；

實驗結束后，通過遠程監控裝置長時間監測流出犧牲陽極電流（電流方向規定流入為“-”，流出為“+”），利用犧牲陽極理論消耗率或理論電容量計算理論壽命，根據估算自安裝至監測時陽極已消耗重量，得到剩余陽極重量和陽極試樣的腐蝕速率，用于陽極剩余壽命計算。統計結果并繪制折線圖，進行數據比較得出結論。

陽極試樣的腐蝕速率v計算公式如式（3） 所示：

式中，t為實驗周期，h。m1為實驗前陽極試樣質量，g；m1為實驗前陽極試樣質量，g；

2 結果與討論

為了探求此次實驗是否符合規定和要求，實驗中采用了鋅犧牲陽極作為研究對象，實驗裝置按照圖1所示搭建。分別測量陽極材料消耗量，電流密度，計算實際消耗速率和理論消耗速率，如表2所示。

因為金屬腐蝕會降低測試樣本的電阻率，故每次測量后調整電壓大小，控制電路電流在給定大小，在8h前控制電路在1.845A左右，之后加大到3.045A。由表2可知實驗結束時實際平均消耗速率為3.41g/h，理論平均消耗速率為3.50g/h。

表2 實際消耗質量與預計消耗質量對比

通過觀察折線圖可得測量結果與預計理論測量結果基本符合，實驗誤差控制在±2.5%以內。通過實驗數據證明，本次實驗對鋅犧牲陽極的消耗速率的檢測和鋅犧牲陽極壽命預測的準確性是達標且可靠的。

圖2 實驗誤差隨時間的變化曲線

智能排流器通過實時監測電流密度，將平均電流密度進行計算來得到當前時間段消耗質量，并對犧牲陽極的壽命進行預測。最終對設備的陰極保護情況進行評估。在網站上監測的每時段電流平均值如表3所示。排流器監測消耗質量與實際消耗質量對比結果如表4所示，計算得實驗結束時排流器監測平均腐蝕速率為3.48g/h，實際平均消耗速率為3.16g/h。

表3 每時段電流平均值

表4 排流器預測腐蝕質量與實際腐蝕質量對比

繪制誤差折線圖如圖3所示。

圖3 監測誤差隨時間的變化曲線

通過觀察折線圖可得誤差控制在±2.5%以內，測量結果與監測測量結果基本符合，通過以上實驗數據證明，該智能排流器對鋅犧牲陽極的消耗速率的監測和鋅犧牲陽極壽命預測的準確性是達標且可靠的。

3 結語

本實驗主要采用了加速消耗法和電化學法兩種實驗方法，研究了智能排流器對鋅合金犧牲陽極在海水腐蝕行為中壽命預測的準確性和可靠性。首先構建腐蝕電池進行加速消耗實驗，實驗結束后計算實際消耗速率和預計消耗速率，通過對比兩者之間的誤差來確定此實驗是否成功，數據是否準確。之后通過智能排流器上傳至北京安科腐蝕官網的數據與實際實驗數據進行計算比對，驗證了此排流器在實驗中電位，電流等數據監測的實時性和準確性，證明了此設備對鋅合金犧牲陽極壽命預測的可靠性。