阴极保护技术在水工金属结构埋件上的应用

2020-07-21贾新杰王占华史泽波

腐蚀与防护 2020年1期

贾新杰，王占华，史泽波

（1.中建七局安装工程有限公司，郑州450045.2.水利部水工金属结构质量检验测试中心，郑州450045）

随着我国水利工程建设的不断发展，修建了大量水闸、水库、水电站及船闸等水利工程设施。水工金属结构是水利水电枢纽中不可缺少的重要设施［1］，埋件也是水工金属结构的重要组成部分。由于它们长期在水中工作或在干湿交替的环境中运行，受各种水质及微生物的侵蚀，同时会受到水流、泥沙及一些漂浮物的摩擦，普遍会发生不同程度的腐蚀。根据SL105－2007《水工金属结构防腐蚀规范》，目前埋件外露面普遍采用金属涂层＋软涂层复合保护的方法，埋入面则采用喷水泥砂浆的方法进行保护。由于闸门滑块或者滚轮的摩擦作用，涂层很容易脱落导致埋件生锈。由于埋件可更换性差，更换成本高，延长埋件使用寿命刻不容缓。

阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构施加一个外加电流，被保护结构成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生［2-4］。阴极保护技术在化工、冶金、石油石化、燃气行业、港口金属结构保护方面得到了广泛的应用，是一种延长金属结构使用寿命行之有效的方法。本工作将阴极保护技术应用于水工金属结构埋件，以期为埋件提供切实可行的长效保护方式。

1 试验

1.1 埋件

试验用埋件委托三门峡水工机械有限公司制作，埋件尺寸与某工程设计图纸相似，6 000 mm×200 mm。埋件外露面处于自然腐蚀状态，埋入面用混凝土完全包覆。将制作完的埋件放置于8 m×2 m的混凝土试验水池内。埋件与试验水池地面采用木板进行隔离。在埋件上每隔0.5 m焊接一个金属构件，作为试验过程中的电位测量点。

1.2 牺牲阳极材料

试验用牺牲阳极包括镁合金阳极（镁阳极）、锌合金阳极（锌阳极）、铝合金阳极（铝阳极）。本试验用阳极均为块状阳极，为工程上经常使用的牺牲阳极。试验用阳极的种类及其电化学性能如表1所示。

表1 牺牲阳极的种类及其电化学性能Tab.1 Types and electrochemical properties of sacrificial anodes

1.3 试验仪器

试验用恒电位仪为北京中腐防蚀工程技术有限公司生产的PS-268A型恒电位仪。试验用参比电极为饱和硫酸铜参比电极（CSE），文中所有电位均相对于CSE，试验前用饱和甘汞电极进行了标定。试验过程中使用ProDSS多参数水质分析仪对水质进行测量，仪器使用前采用标准溶液进行标定。

2 结果与讨论

2.1 牺牲阳极的开路电位

由图1可见：在淡水环境中，牺牲阳极的开路电位随着溶液电导率的变化而变化，溶液电导率增加，牺牲阳极开路电位随之下降，说明电导率是影响牺牲阳极开路电位的重要因素。由于镁的化学活泼性，镁阳极的开路电位比锌阳极、铝阳极的更负。在淡水中，铝阳极的开始电位比锌阳极的正，这主要是由于铝阳极表面形成的铝氧化膜比较致密，不容易从阳极表面脱落的缘故。

2.2 溶液电导率对保护距离的影响

由图2可见：随着电导率的降低，三种牺牲阳极产生的保护电位随之很快降低，且降低规律相似。三种牺牲阳极的保护距离均很短，按照保护电位达到－0.85 V的判据［5-8］，铝阳极和锌阳极在300～2 000μS／cm溶液中的保护距离均小于100 cm，无法对此环境中的埋件产生保护作用。基本只有镁合金在溶液电导率为2 000μS／cm时，对金属埋件有100 cm的保护距离，且在同种溶液中，镁阳极对埋件的保护距离比锌阳极、铝阳极的稍大。

图1 几种牺牲阳极在不同电导率环境中的开路电位Fig.1 Open circuit potentials of several sacrificial anodes in different conductivity environments

2.3 恒电位极化对保护距离的影响

由图3可见：电导率是影响镁阳极保护距离的重要因素。极化电位－860 mV条件下，溶液电导率不超过800μS／cm，达到保护电位－0.85 V的距离小于50 cm；当溶液电导率升高到2 000μS／cm时，有效保护距离为150 cm。由图3还可见：极化电位越负，保护距离越大。在2 000μS／cm溶液中，极化电位在－860 mV时，保护距离约150 cm，极化电位为－900 mV时，保护距离约为250 cm，极化电位为－1 000 mV时，保护距离大于500 cm。因此，提高极化电位是增加保护距离的一种重要手段。

2.4 讨论

图2 不同电导率溶液中，几种阳极对埋件产生的保护电位与保护距离的关系Fig.2 Relation between protection potential and protection distance of magnesium anode（a）zinc anode（b）and alouminum anode（c）on buried parts in different conductivity solutions

图3 不同电导率溶液中，极化电位对镁合金阳极的保护电位和保护距离的影响Fig.3 Effects of polarization potential on protection potential and protection distance of magnesium alloy anode in different conductivity solutions

电化学阴极保护技术在许多行业得到了广泛应用，而且－0.85 V也是被普遍接受的阴保判据，水工金属结构也不例外［9-10］。水工金属结构埋件所处水质环境以淡水环境为主，如长江、黄河为代表的淡水的电导率普遍不高，黄河三门峡水库长年电导率为800～1 400μS／cm［11］，长江流域水质的电导率更低，为200～400μS／cm［12］。试验结果表明，电导率低于2 000μS／cm时，牺牲阳极的保护距离很短，使用时需要消耗大量的阳极材料，在设计施工时会产生很大的障碍，因此，牺牲阳极法在淡水环境中基本不适用。水工金属结构埋件处于海淡水及海水环境中时，海淡水电导率为5 000～8 000μS／cm，海水电导率为30 000～40 000μS／cm，随着溶液电导率的增大，牺牲阳极的保护距离也随之增大，这极大地提高了牺牲阳极的适用性。因此，在海淡水及海水环境中，牺牲阳极法可用于保护埋件。

在普通淡水环境中使用恒电位极化方法，即使溶液电导率较低，达到－850 mV的保护距离接近500 cm，且可以通过提高极化电位来增大保护距离；提高溶液电导率，也可大大增加保护距离。因此，恒电位极化方法可作为一种长效保护方法保护埋件。