牺牲阳极的性能监测及寿命预测技术研究

刘昊天 王金光 张晓勇 徐学利 单汗青 张浩强

（1. 西安石油大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710065；2. 北京安科腐蚀技术有限公司，北京 100083）

0 引言

随着我国海洋强国战略的不断推进，当前已有众多已经建成和正在建设的海上平台、海底管道、港口码头、跨海大桥等大型海洋基础设施[1]，牺牲阳极保护法是这些海洋基础设施最常采用的阴极保护方法[2,3]。牺牲阳极阴极保护法由于具有电流分散能力好、易于管理和维护，费用相对较低等优点[4,5]，已经广泛用于各种海洋设备的腐蚀防护[6,7]。当前发展成熟的牺牲阳极主要有纯镁及镁合金阳极、纯锌及锌合金阳极、铝合金阳极和铁合金阳极。其中，锌合金牺牲阳极具有较高的电流效率，对金属设施保护效果较好，具有资源丰富，制造工艺简单，电化学性能优良等特点,而且锌合金熔点低,流动性好,易熔焊，目前已成为应用最广的牺牲阳极材料之 一[8-10]。关于该阳极材料在水中的腐蚀机理对其性能的影响，国内已有相关报道，而关于锌牺牲阳极材料使用寿命的预测，未见相关报道。

牺牲阳极阴极保护系统的设计寿命一般为10～15a[11,12]，为准确掌握水中锌阳极消耗情况，并正确评估对设备的保护状况。实验采用电化学测试和加速浸泡实验，系统地分析了锌阳极在水中的腐蚀状况及电化学特征，计算牺牲阳极实际消耗率，最终推算阳极剩余使用寿命，从而验证了智能排流器对锌牺牲阳极状况传输和对锌牺牲阳极寿命预测的准确性。这为类似工程防腐蚀设计时关键的参数选择提供参考，也为设计运行多年的海洋设备的有效保护提供技术支持和科学依据。

1 实验验证方案设计

本实验验装置主要由辅助阴极（与管道同材质圆筒状）、实验容器、恒流电源（直流电源输出电压不小于20V，输出电流不小于3A）、直流电压表、智能排流器、阳极试样（锌合金牺牲阳极）共6部分组成。如图1所示。实验用恒流电源采用汉晟普源HSPY 36-03可调直流稳压稳流电源，称重仪使用精确到小数点后2位的天平秤。

图1 实验装置

在规定的实验周期内，通过改变流经阳极试样的电流密度，每8h左右测量阳极试样的工作电位，并在实验结束后计算阳极试样的平均腐蚀速率和实验误差，并观测阳极试样的溶解情况，以此对阳极试样电化学性能进行分析。

带状锌阳极的电化学性能如表1所示，将阳极在实验前采用砂纸（400～1500号）逐级打磨试样表面后，用蒸馏水清洗，再用无水乙醇去除表面的污渍，随后及时将试样放入烘箱，烘干30min，烘箱温度设定为100±5℃，取出后尽快放入干燥器内，将阳极挂片自然冷却至室温后进行称量。将阳极试样置于人造海水中进行电化学实验，水浴温度控制为25℃，给定初始电流为1.845A；在8h后更变为3.045A。每隔8h左右将试样取出，去除表面腐蚀产物，干燥后称量。称量结束后将实验容器洗刷干净，换水并重新制造模拟环境，重复上述步骤直至实验结束。

表1 锌牺牲阳极性能

牺牲阳极实验已消耗质量按照式（1）进行 计算：

式中，I为总电流，A；T为设计寿命，y；Z为理论电容量，A；W为牺牲阳极已消耗重量，kg。

为简化计算，在考虑年平均消耗基本一致的情况下，阳极剩余质量基本能够满足预期设计使用寿命，即剩余10～15a，但是设备随时间迁移其表面涂层破损程度越来越大，防腐性能变差，导致牺牲阳极在后期损耗速率逐渐增大。尽管此时牺牲阳极还未被完全耗尽，但已不能继续提供最小的的阴极保护电流。牺牲阳极的此种状态，本实验由利用系数U来定义，利用系数一般介于0.5～0.9之间，具体取决于其运行状态，利用系数越大，寿命越长。所以在计算牺牲阳极剩余使用年限时采用以下公式，利用牺牲阳极理论消耗率计算寿命如公式（2）所示：

式中，L为阳极寿命，a；I为流出牺牲阳极的平均电流，A，包含用于排流和牺牲阳极阴极保护系统的阴极保护电流；Wt为牺牲阳极现有质量，kg；Cr为牺牲阳极理论消耗率，kg/A·a，锌阳极取10.76kg/A·a；U为利用系数，0.5～0.9；E为电流效率，%，锌阳极取90%；

实验结束后，通过远程监控装置长时间监测流出牺牲阳极电流（电流方向规定流入为“-”，流出为“+”），利用牺牲阳极理论消耗率或理论电容量计算理论寿命，根据估算自安装至监测时阳极已消耗重量，得到剩余阳极重量和阳极试样的腐蚀速率，用于阳极剩余寿命计算。统计结果并绘制折线图，进行数据比较得出结论。

阳极试样的腐蚀速率v计算公式如式（3） 所示：

式中，t为实验周期，h。m1为实验前阳极试样质量，g；m1为实验前阳极试样质量，g；

2 结果与讨论

为了探求此次实验是否符合规定和要求，实验中采用了锌牺牲阳极作为研究对象，实验装置按照图1所示搭建。分别测量阳极材料消耗量，电流密度，计算实际消耗速率和理论消耗速率，如表2所示。

因为金属腐蚀会降低测试样本的电阻率，故每次测量后调整电压大小，控制电路电流在给定大小，在8h前控制电路在1.845A左右，之后加大到3.045A。由表2可知实验结束时实际平均消耗速率为3.41g/h，理论平均消耗速率为3.50g/h。

表2 实际消耗质量与预计消耗质量对比

通过观察折线图可得测量结果与预计理论测量结果基本符合，实验误差控制在±2.5%以内。通过实验数据证明，本次实验对锌牺牲阳极的消耗速率的检测和锌牺牲阳极寿命预测的准确性是达标且可靠的。

图2 实验误差随时间的变化曲线

智能排流器通过实时监测电流密度，将平均电流密度进行计算来得到当前时间段消耗质量，并对牺牲阳极的寿命进行预测。最终对设备的阴极保护情况进行评估。在网站上监测的每时段电流平均值如表3所示。排流器监测消耗质量与实际消耗质量对比结果如表4所示，计算得实验结束时排流器监测平均腐蚀速率为3.48g/h，实际平均消耗速率为3.16g/h。

表3 每时段电流平均值

表4 排流器预测腐蚀质量与实际腐蚀质量对比

绘制误差折线图如图3所示。

图3 监测误差随时间的变化曲线

通过观察折线图可得误差控制在±2.5%以内，测量结果与监测测量结果基本符合，通过以上实验数据证明，该智能排流器对锌牺牲阳极的消耗速率的监测和锌牺牲阳极寿命预测的准确性是达标且可靠的。

3 结语

本实验主要采用了加速消耗法和电化学法两种实验方法，研究了智能排流器对锌合金牺牲阳极在海水腐蚀行为中寿命预测的准确性和可靠性。首先构建腐蚀电池进行加速消耗实验，实验结束后计算实际消耗速率和预计消耗速率，通过对比两者之间的误差来确定此实验是否成功，数据是否准确。之后通过智能排流器上传至北京安科腐蚀官网的数据与实际实验数据进行计算比对，验证了此排流器在实验中电位，电流等数据监测的实时性和准确性，证明了此设备对锌合金牺牲阳极寿命预测的可靠性。