高 聰，黃志強，王志強

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

我國現(xiàn)行海洋工程鋼結(jié)構(gòu)陰極保護設(shè)計主要執(zhí)行DNV或NACE標準，依據(jù)標準，陽極重量應(yīng)當同時滿足物料概算和初始電流密度的需求[1－2]。當兩者不同時，為達到保護要求，兩者取其大值，從而造成陽極用量過大的浪費。而通過使用新型陽極，提高陽極表面積與體積比值，即發(fā)生電流與陽極重量的比值，可以使新型陽極既滿足初期保護電流密度的要求，又能滿足中、后期的陽極質(zhì)量要求。由此降低犧牲陽極材料的使用量，減少制造／運輸／安裝的工作量、結(jié)構(gòu)的靜／動負荷及重金屬污染。本工作通過室內(nèi)模擬陰極保護試驗測量系統(tǒng)，對在實驗室條件下常規(guī)構(gòu)型陽極（長條型）與新型陽極（翼型）的陰極保護效果進行對照比較，確認新型陽極的電化學(xué)性能及實際可行性。

1 試驗

1.1 試驗水槽

室內(nèi)陰極保護模擬試驗的水槽設(shè)計內(nèi)部容積為φ600mm×1 050mm。在水槽內(nèi)注入一定電導(dǎo)率的海水或稀釋海水（用麥島海水與自來水配制），靜置約2h，其間用飽和甘汞電極（SCE）檢測Ag／AgX參比電極、犧牲陽極和鋼板試樣的電位變化，至基本穩(wěn)定后記錄參比電極電位、犧牲陽極的開路電位和試樣各檢測點的開路電位。

1.2 試樣

陰極選用2塊1 000mm×600mm×3mm的Q235B鋼板，先用360號砂紙打磨，將其表面除銹磨光，再用丙酮擦拭干凈。其中兩塊試板的各自一面為暴露面，中間用PVC板作為絕緣隔離層。同時在兩塊鋼試板的暴露面上，以相同的布設(shè)位置和方法各安裝一塊犧牲陽極試樣。在所有對比試驗中，鋼試樣的A面設(shè)置新型陽極試樣，B面設(shè)置常規(guī)方條型陽極試樣。

1.3 室內(nèi)模擬陰極保護試驗測量系統(tǒng)

1.3.1 室內(nèi)模擬人工測量系統(tǒng)

人工測量部分的鋼試樣僅在兩塊鋼試板的暴露面中心，分別設(shè)置一塊常規(guī)陽極試樣和一塊新型陽極試樣。鋼試板的暴露面上不設(shè)置Ag／AgX參比電極，而是在鋼試板上標出14個檢測點位，位置分布如圖1所示。試驗中選用準確度為0.02級的旋轉(zhuǎn)式直流電阻箱作為檢測陽極發(fā)生電流的采樣電阻，電位檢測使用附帶1m長鹽橋的SCE。

圖1 室內(nèi)模擬陰極保護人工測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Lab simulation of manual measurement system for cathodic protection

試驗條件如下：溫度21℃，pH＝7.39，溶解氧10.05mg／L，電 導(dǎo) 率 10.72mS／cm，采 樣 電 阻200m·Ω。

1.3.2 室內(nèi)模擬自動測量系統(tǒng)

該測量系統(tǒng)主要由鋼試樣、犧牲陽極試樣、Ag／AgX參比電極、精密取樣電阻、采樣器中繼接線板和數(shù)據(jù)采集／存儲器等構(gòu)成，由此自動檢測陽極發(fā)生電流值。室內(nèi)模擬陰極保護自動測量系統(tǒng)見圖2。

試驗條件如下：pH＝7.87，溶解氧7.982mg／L，電導(dǎo)率10.14mS／cm，采樣電阻200m·Ω。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工測量系統(tǒng)試驗結(jié)果

室內(nèi)模擬陰極保護對比試驗的陽極試樣為A－01和B－01，其構(gòu)型參考圖3所示。A－01為長直翼型陽極試樣，B－01為方條型陽極試樣。A－01試樣的質(zhì)量為21.14g，面積為55.7cm2，B－01試樣的質(zhì)量為23.5g，面積為31.7cm2。顯然，A－01試樣的質(zhì)量雖略小于B－01試樣，但其面積卻明顯大于B－01試樣。

圖2 室內(nèi)模擬陰極保護自動測量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

圖3 室內(nèi)模擬陰極保護人工測量系統(tǒng)陽極試樣示意圖Fig.3 The anode samples of lab simulation of manual measurement system for cathodic protection

接通鋼板與陽極之間采樣電阻使其“短路”工作后開始進行鋼試樣A、B兩面檢測點電位與陽極發(fā)生電流的對比測量，例選部分試驗結(jié)果見圖4～7。

從試驗結(jié)果可以看出，雖然A－01試樣的質(zhì)量小于B－01試樣，但因其面積明顯大于B－01試樣，故接水電阻較小，發(fā)生電流較大，使得鋼試板極化趨勢較明顯。由A－01試樣與B－01試樣的初期發(fā)生電流和全程發(fā)生電流數(shù)據(jù)估算得知，長直翼型陽極的發(fā)生電流約比質(zhì)量相近的方條型陽極高出20%。

2.2 自動測量系統(tǒng)試驗結(jié)果

圖4 A－01與B－01試樣初期發(fā)生電流Fig.4The initial current of sample A－01and B－01

圖5 A－01與B－01試樣全程發(fā)生電流Fig.5 The whole current of sample A－01and B－01

圖6 鋼試板A面4、5、10、11點位的電位變化Fig.6 The potential change of positions 4，5，10and 11 on plate A

圖7 鋼試板B面4、5、10、11點位的電位變化Fig.7 The potential change of positions 4，5，10and 11 on plate B

圖8 室內(nèi)模擬陰極保護自動測量系統(tǒng)陽極試樣示意圖Fig.8 The anode samples of lab simulation of automatic measurement system for cathodic protection

自動測量對比試驗的陽極試樣是長斜翼型陽極試樣和方條型陽極試樣，其構(gòu)型、尺寸如圖8所示，均為循環(huán)伏安試驗后的試樣。A－02試樣的質(zhì)量為23.6g，面積為45.6cm2，B－02 試樣的質(zhì)量為22.6g，面積為30.0cm2。雖然A－02試樣的質(zhì)量略大于B－02試樣，但其面積卻明顯大于B－02試樣。

待數(shù)據(jù)采集／存儲器的顯示時間距巡檢采樣1min時，接通鋼板與陽極之間采樣電阻使其“短路”工作，開始進行陽極電位及其發(fā)生電流的對比測量。例選部分試驗結(jié)果見圖9～12。

圖9 A－02與B－02試樣初期發(fā)生電流Fig.9 The initial current of sample A－02and B－02

從試驗結(jié)果可以看出，在本試驗條件下，A－02因其表面積明顯大于B－02試樣，故接水電阻較小，發(fā)生電流較大，使得鋼試樣的極化趨勢較明顯。隨著極化的進程，兩者都表現(xiàn)出“～”形的起伏變化，但B－02試樣的發(fā)生電流變動不大，而A－02試樣的發(fā)生電流卻逐漸降低，并在80h之后低于B－02試樣的發(fā)生電流。這種情況與理想的預(yù)期結(jié)果相符合，即在能滿足陰極保護的電流密度范圍內(nèi)，陽極發(fā)生電流與相應(yīng)的陰極保護電流密度越大，被保護體表面上石灰質(zhì)垢層的形成越快，其面電阻率的增速越快，極化加速而電位負移越快，與陽極的電位差（即驅(qū)動電壓）越小，導(dǎo)致陽極發(fā)生電流相應(yīng)減小越快[3－5]。如此循環(huán)繼續(xù)，使得原先陽極發(fā)生電流較大的試樣，逐漸轉(zhuǎn)化為陽極發(fā)生電流較小者，從而節(jié)省陽極消耗。另外，如前所述，長斜翼型陽極試樣可能因其外向角邊活化因素的作用大于內(nèi)向凹陷隱蔽因素的影響，表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能[6]。

圖12 鋼試板B面2、5、7點位的電位變化Fig.12The potential change of positions 2，5and 7 on plate B

3 結(jié)論

從室內(nèi)陰極保護模擬試驗結(jié)果可以看出，人工測量部分與自動檢測部分的情況相似，所有試驗數(shù)據(jù)一致表明，長直翼型陽極和長斜翼型陽極要比相同體積（質(zhì)量）的方條型陽極表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能?；谏鲜鲈囼灲Y(jié)果得知，在對平臺導(dǎo)管架陰極保護設(shè)計時，若以長直翼型陽極或長斜翼型陽極替代常規(guī)方條型陽極，便可在滿足初期陽極發(fā)生電流需求情況下大大減少實際陽極重量。

圖10 A－02與B－02試樣全程發(fā)生電流Fig.10 The whole current of sample A－02and B－02

圖11 鋼試板A面2、5、7點位的電位變化Fig.11The potential change of positions 2，5and 7 on plate A

[1]DNV RP B401（2010）2011 陰極保護設(shè)計規(guī)范[S].

[2]NACE Standard RP0176－2003 海上鋼質(zhì)固定石油生產(chǎn)構(gòu)筑物腐蝕控制的推薦做法[S].

[3]朱志平，于萍.陰極保護中鈣鎂沉積層的形成與影響[J].化工腐蝕與防護，1995（1）：20－23.

[4]溫國謀，鄭輔養(yǎng).海水中陰極保護時鈣質(zhì)沉積層的形成及其應(yīng)用[J].腐蝕與防護，1995，16（1）：50－53.

[5]陳紹偉.鋼在海水中的陰極極化特點及陰極保護系統(tǒng)設(shè)計中的新途徑[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，1996，8（1）：1725－1729.

[6]郝宏娜，李自力，王太源，等.陰極保護數(shù)值模擬計算邊界條件的確定[J].油氣儲運，2011（7）：504－507.