海洋工程钢结构阴极保护新型阳极的研究

2015-09-27黄志强王志强

腐蚀与防护 2015年11期

高聪，黄志强，王志强

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

我国现行海洋工程钢结构阴极保护设计主要执行DNV或NACE标准，依据标准，阳极重量应当同时满足物料概算和初始电流密度的需求[1－2]。当两者不同时，为达到保护要求，两者取其大值，从而造成阳极用量过大的浪费。而通过使用新型阳极，提高阳极表面积与体积比值，即发生电流与阳极重量的比值，可以使新型阳极既满足初期保护电流密度的要求，又能满足中、后期的阳极质量要求。由此降低牺牲阳极材料的使用量，减少制造／运输／安装的工作量、结构的静／动负荷及重金属污染。本工作通过室内模拟阴极保护试验测量系统，对在实验室条件下常规构型阳极（长条型）与新型阳极（翼型）的阴极保护效果进行对照比较，确认新型阳极的电化学性能及实际可行性。

1 试验

1.1 试验水槽

室内阴极保护模拟试验的水槽设计内部容积为φ600mm×1 050mm。在水槽内注入一定电导率的海水或稀释海水（用麦岛海水与自来水配制），静置约2h，其间用饱和甘汞电极（SCE）检测Ag／AgX参比电极、牺牲阳极和钢板试样的电位变化，至基本稳定后记录参比电极电位、牺牲阳极的开路电位和试样各检测点的开路电位。

1.2 试样

阴极选用2块1 000mm×600mm×3mm的Q235B钢板，先用360号砂纸打磨，将其表面除锈磨光，再用丙酮擦拭干净。其中两块试板的各自一面为暴露面，中间用PVC板作为绝缘隔离层。同时在两块钢试板的暴露面上，以相同的布设位置和方法各安装一块牺牲阳极试样。在所有对比试验中，钢试样的A面设置新型阳极试样，B面设置常规方条型阳极试样。

1.3 室内模拟阴极保护试验测量系统

1.3.1 室内模拟人工测量系统

人工测量部分的钢试样仅在两块钢试板的暴露面中心，分别设置一块常规阳极试样和一块新型阳极试样。钢试板的暴露面上不设置Ag／AgX参比电极，而是在钢试板上标出14个检测点位，位置分布如图1所示。试验中选用准确度为0.02级的旋转式直流电阻箱作为检测阳极发生电流的采样电阻，电位检测使用附带1m长盐桥的SCE。

图1 室内模拟阴极保护人工测量系统示意图Fig.1 Lab simulation of manual measurement system for cathodic protection

试验条件如下：温度21℃，pH＝7.39，溶解氧10.05mg／L，电导率 10.72mS／cm，采样电阻200m·Ω。

1.3.2 室内模拟自动测量系统

该测量系统主要由钢试样、牺牲阳极试样、Ag／AgX参比电极、精密取样电阻、采样器中继接线板和数据采集／存储器等构成，由此自动检测阳极发生电流值。室内模拟阴极保护自动测量系统见图2。

试验条件如下：pH＝7.87，溶解氧7.982mg／L，电导率10.14mS／cm，采样电阻200m·Ω。

2 结果与讨论

2.1 人工测量系统试验结果

室内模拟阴极保护对比试验的阳极试样为A－01和B－01，其构型参考图3所示。A－01为长直翼型阳极试样，B－01为方条型阳极试样。A－01试样的质量为21.14g，面积为55.7cm2，B－01试样的质量为23.5g，面积为31.7cm2。显然，A－01试样的质量虽略小于B－01试样，但其面积却明显大于B－01试样。

图2 室内模拟阴极保护自动测量系统示意图Fig.2 Lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

图3 室内模拟阴极保护人工测量系统阳极试样示意图Fig.3 The anode samples of lab simulation of manual measurement system for cathodic protection

接通钢板与阳极之间采样电阻使其“短路”工作后开始进行钢试样A、B两面检测点电位与阳极发生电流的对比测量，例选部分试验结果见图4～7。

从试验结果可以看出，虽然A－01试样的质量小于B－01试样，但因其面积明显大于B－01试样，故接水电阻较小，发生电流较大，使得钢试板极化趋势较明显。由A－01试样与B－01试样的初期发生电流和全程发生电流数据估算得知，长直翼型阳极的发生电流约比质量相近的方条型阳极高出20%。

2.2 自动测量系统试验结果

图4 A－01与B－01试样初期发生电流Fig.4The initial current of sample A－01and B－01

图5 A－01与B－01试样全程发生电流Fig.5 The whole current of sample A－01and B－01

图6 钢试板A面4、5、10、11点位的电位变化Fig.6 The potential change of positions 4，5，10and 11 on plate A

图7 钢试板B面4、5、10、11点位的电位变化Fig.7 The potential change of positions 4，5，10and 11 on plate B

图8 室内模拟阴极保护自动测量系统阳极试样示意图Fig.8 The anode samples of lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

自动测量对比试验的阳极试样是长斜翼型阳极试样和方条型阳极试样，其构型、尺寸如图8所示，均为循环伏安试验后的试样。A－02试样的质量为23.6g，面积为45.6cm2，B－02 试样的质量为22.6g，面积为30.0cm2。虽然A－02试样的质量略大于B－02试样，但其面积却明显大于B－02试样。

待数据采集／存储器的显示时间距巡检采样1min时，接通钢板与阳极之间采样电阻使其“短路”工作，开始进行阳极电位及其发生电流的对比测量。例选部分试验结果见图9～12。

图9 A－02与B－02试样初期发生电流Fig.9 The initial current of sample A－02and B－02

从试验结果可以看出，在本试验条件下，A－02因其表面积明显大于B－02试样，故接水电阻较小，发生电流较大，使得钢试样的极化趋势较明显。随着极化的进程，两者都表现出“～”形的起伏变化，但B－02试样的发生电流变动不大，而A－02试样的发生电流却逐渐降低，并在80h之后低于B－02试样的发生电流。这种情况与理想的预期结果相符合，即在能满足阴极保护的电流密度范围内，阳极发生电流与相应的阴极保护电流密度越大，被保护体表面上石灰质垢层的形成越快，其面电阻率的增速越快，极化加速而电位负移越快，与阳极的电位差（即驱动电压）越小，导致阳极发生电流相应减小越快[3－5]。如此循环继续，使得原先阳极发生电流较大的试样，逐渐转化为阳极发生电流较小者，从而节省阳极消耗。另外，如前所述，长斜翼型阳极试样可能因其外向角边活化因素的作用大于内向凹陷隐蔽因素的影响，表现出较好的电化学性能[6]。

图12 钢试板B面2、5、7点位的电位变化Fig.12The potential change of positions 2，5and 7 on plate B

3 结论

从室内阴极保护模拟试验结果可以看出，人工测量部分与自动检测部分的情况相似，所有试验数据一致表明，长直翼型阳极和长斜翼型阳极要比相同体积（质量）的方条型阳极表现出更好的电化学性能。基于上述试验结果得知，在对平台导管架阴极保护设计时，若以长直翼型阳极或长斜翼型阳极替代常规方条型阳极，便可在满足初期阳极发生电流需求情况下大大减少实际阳极重量。