劉福國(guó)，張偉，王秀通，尹鵬飛，黃志強(qiáng)，張國(guó)慶，韓冰，李向陽(yáng)

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海洋工程用新型犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)與性能研究(Ⅳ)——導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)應(yīng)用研究

劉福國(guó)1，張偉2,3，王秀通4，尹鵬飛2,3，黃志強(qiáng)1，張國(guó)慶1，韓冰2,3，李向陽(yáng)5

（1. 海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451；2. 青島鋼研納克檢測(cè)防護(hù)技術(shù)有限公司，山東 青島 266071；3. 鋼鐵研究總院 青島海洋腐蝕研究所，山東 青島 266071；4. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；5. 中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司 鋼鐵研究總院，北京 100081）

通過(guò)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型犧牲陽(yáng)極，使其在與常規(guī)陽(yáng)極質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，增加初期發(fā)生電流，使被保護(hù)體較快極化到保護(hù)電位，后期發(fā)生電流降低，滿足平均和末期保護(hù)電流需要，達(dá)到節(jié)約犧牲陽(yáng)極用量的目的。在傳統(tǒng)梯形陽(yáng)極兩側(cè)增加兩個(gè)翼翅，降低接水電阻，增加初期發(fā)生電流。翼翅優(yōu)于本體快速溶解，其表面積迅速減小，發(fā)生電流隨之降低。質(zhì)量與常規(guī)陽(yáng)極相近的新型陽(yáng)極，初期發(fā)生電流增加30%以上，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值10%，初期極化完成后，新型陽(yáng)極發(fā)生電流快速降低，達(dá)到與常規(guī)陽(yáng)極相當(dāng)?shù)陌l(fā)生電流。據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，可達(dá)到節(jié)約犧牲陽(yáng)極用量的目的。

海洋工程；陰極保護(hù)；犧牲陽(yáng)極；新型陽(yáng)極

國(guó)內(nèi)外陰極保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海上鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)不同階段的保護(hù)電流密度值要求不同，比如NACE- RP0176（2001）[1]推薦南中國(guó)海初期、平均和末期保護(hù)電流密度分別為110，35，35 mA/m2，當(dāng)海水溫度高于20 ℃，水深在0~30 m，DNV-RP-B401（2010）[2-3]推薦的初期、平均和末期保護(hù)電流密度分別是150，70，100 mA/m2。初期為平均電流密度的2~3倍，為末期的1.5~3倍。初期設(shè)計(jì)較大的保護(hù)電流密度一方面是為了使構(gòu)筑物快速極化到保護(hù)電位區(qū)間，降低欠保護(hù)期間的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；另一方面是為了快速形成鈣鎂沉積層，降低后期對(duì)保護(hù)電流需求。由于初期時(shí)間較短[4-5]，一般不超過(guò)1年，比如文中介紹的導(dǎo)管架平臺(tái)僅4個(gè)月就完成了初期極化，相對(duì)于設(shè)計(jì)壽命15~30年平臺(tái)來(lái)說(shuō)時(shí)間非常短，為了滿足初期電流需求安裝大量的犧牲陽(yáng)極，造成浪費(fèi)。

該項(xiàng)目以常規(guī)梯形陽(yáng)極為基礎(chǔ)，在陽(yáng)極兩側(cè)增加兩個(gè)翼翅，設(shè)計(jì)了一種新型犧牲陽(yáng)極，通過(guò)增加表面積，降低接水電阻，增加初期電流輸出[6]。受邊緣效應(yīng)影響，新型陽(yáng)極翼翅優(yōu)于本體快速溶解，其表面積迅速減小，發(fā)生電流隨之降低，初期極化完成后，翼翅也消耗完全，剩余本體陽(yáng)極發(fā)生電流可以滿足平均和末期較小的保護(hù)電流需要，達(dá)到節(jié)約陽(yáng)極用量的目的[7]。

前期筆者針對(duì)小尺寸和中等尺寸的新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極分別進(jìn)行了室內(nèi)靜態(tài)海水和實(shí)際動(dòng)態(tài)海水的對(duì)比試驗(yàn)，并發(fā)表了研究成果[8-10]。研究結(jié)果表明，通過(guò)構(gòu)型優(yōu)化的新型陽(yáng)極在與常規(guī)陽(yáng)極相當(dāng)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，發(fā)生電流可以提高48%左右。在節(jié)約犧牲陽(yáng)極用量近50%的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了新型陽(yáng)極與常規(guī)陽(yáng)極相當(dāng)?shù)陌l(fā)生電流和極化電位。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了新型陽(yáng)極翼翅優(yōu)于本體溶解，后期呈現(xiàn)出與常規(guī)陽(yáng)極一致的圓柱形，發(fā)生電流亦迅速降低到與常規(guī)陽(yáng)極相近的現(xiàn)象，與初始設(shè)計(jì)思路基本吻合。前期試驗(yàn)所用犧牲陽(yáng)極尺寸小、消耗快、壽命短，實(shí)海試驗(yàn)僅獲得了常規(guī)陽(yáng)極與新型陽(yáng)極初期發(fā)生電流和初期極化電位的差異，并未獲得具有保護(hù)作用的鈣鎂沉積層形成后新型陽(yáng)極和常規(guī)發(fā)生電流與極化電位的變化及其相關(guān)性，即使后續(xù)研究采用了中等尺寸的犧牲陽(yáng)極，由于對(duì)實(shí)海環(huán)境的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)考慮不足，這些數(shù)據(jù)亦未獲得。

基于以上原因，在前期研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并澆筑成型了大尺寸、大質(zhì)量的實(shí)際導(dǎo)管架平臺(tái)用犧牲陽(yáng)極，并進(jìn)行了工程化對(duì)比試驗(yàn)研究。文中通過(guò)對(duì)比安裝在新建導(dǎo)管架上的新型陽(yáng)極（質(zhì)量為291 kg）和常規(guī)陽(yáng)極（質(zhì)量為288 kg）發(fā)生電流與保護(hù)電位及其變化規(guī)律，分析了陽(yáng)極發(fā)生電流和極化電位與鈣鎂沉積層形成過(guò)程的相關(guān)性，以期為后期新型陽(yáng)極的大規(guī)模工程化應(yīng)用提供基礎(chǔ)參考。

1 導(dǎo)管架平臺(tái)試驗(yàn)部分

1.1 新型陽(yáng)極與常規(guī)設(shè)計(jì)

作為對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了質(zhì)量相當(dāng)?shù)拇蟪叽?、大質(zhì)量的新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極各一種，兩種陽(yáng)極詳細(xì)尺寸和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比分別見(jiàn)圖1和表1，材料為國(guó)標(biāo)A13鋁-鋅-銦-硅陽(yáng)極[11]。

圖1 新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極尺寸（單位mm）

表1 新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極對(duì)比

1.2 新型陽(yáng)極在導(dǎo)管架上的安裝

對(duì)比試驗(yàn)選擇的導(dǎo)管架平臺(tái)位于渤海南部的萊州灣，龍口市東北70 km，服役區(qū)域平均水深16 m，于2014年6月下水服役。平臺(tái)為8腿結(jié)構(gòu)，水下共有兩層水平層，分別為-10.5 m和-16.1 m。水下結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參考DNV-RP-B401，設(shè)計(jì)壽命為30年，共安裝犧牲陽(yáng)極286支，其中新型陽(yáng)極10支。為保證對(duì)比數(shù)據(jù)的可靠性，新型陽(yáng)極替代傳統(tǒng)陽(yáng)極位置被安裝到了-16.1 m水平層上，如圖2所示。為了盡量減小因水溫、流速、鹽度、溶解氧等環(huán)境參數(shù)差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，分別在導(dǎo)管架-16.1 m水平層中心線兩側(cè)最近的對(duì)稱位置選擇了2對(duì)新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)安裝4支電位探頭和4支電流探頭組成的陰極保護(hù)監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)陽(yáng)極發(fā)生電流和陽(yáng)極保護(hù)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)表面電位及其隨時(shí)間變化趨勢(shì)，對(duì)比研究新型和常規(guī)陽(yáng)極電流輸出與極化過(guò)程的相關(guān)性。共采集了自2014年6月至2016年10月共計(jì)2年零4個(gè)月（約870天）的實(shí)海數(shù)據(jù)。

圖2 新型陽(yáng)極（圖中標(biāo)示T的位置）和電流探頭、電位探頭在導(dǎo)管架水平層上的安裝位置

2 結(jié)果與討論

2.1 1#常規(guī)與2#新型陽(yáng)極發(fā)生電流與保護(hù)電位對(duì)比

圖3給出的是870天試驗(yàn)階段內(nèi)1#常規(guī)、2#新型陽(yáng)極與常規(guī)發(fā)生電流和鋼結(jié)構(gòu)表面極化電位對(duì)比，可以看出，無(wú)論是發(fā)生電流還是保護(hù)電位均表現(xiàn)出較為明顯的兩個(gè)階段的先快速后緩慢的下降過(guò)程。由圖3a可知，第一階段，新型陽(yáng)極發(fā)生電流在初期的20 d內(nèi)由8.71 A快速降低到7.57 A，20~120 d從7.50 A緩慢降低到5.82 A；常規(guī)陽(yáng)極則在起始的50 d內(nèi)發(fā)生電流由7.08 A快速下降到5.27 A，50~120 d從5.27 A緩慢降低到5. 20 A。由圖3b的極化電位也可以看出，無(wú)論新型陽(yáng)極還是常規(guī)陽(yáng)極，陽(yáng)極附近的鋼結(jié)構(gòu)電位也經(jīng)歷了明顯的先快速后緩慢的極化過(guò)程。新型陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)表面保護(hù)電位在初期的50 d內(nèi)由-640 mV（相對(duì)于Ag/AgCl參比電極，下同）快速負(fù)移到-818 mV，50~120 d則是由-818 mV緩慢負(fù)移到-869 mV；常規(guī)陽(yáng)極初期的60 d內(nèi)保護(hù)電位由-651 mV快速極化到-813 mV，在60~120 d內(nèi)由-813 mV緩慢極化到-827 mV。

在第二階段，新型陽(yáng)極發(fā)生電流在120~180 d由5.82 A快速降低到1.19 A，在180~870 d相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，陽(yáng)極發(fā)生電流緩慢降低并穩(wěn)定在0.5 A左右；常規(guī)陽(yáng)極在120~180 d發(fā)生電流由5.20 A快速降低到1.11 A，180 d以后，發(fā)生電流亦緩慢降低并穩(wěn)定在0.5 A附近。第二階段極化電位變化趨勢(shì)是：新型陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)在120~260 d，而常規(guī)陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)在120~360 d快速極化到-1000 mV，此后二者均在（-1000±25）mV范圍內(nèi)變化。

圖3 1#常規(guī)與2#新型陽(yáng)極發(fā)生電流與鋼結(jié)構(gòu)表面保護(hù)電位變化趨勢(shì)

圖4給出了試驗(yàn)的240 d內(nèi)新型陽(yáng)極較常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流增加值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯滤跗?，新型陽(yáng)極初始發(fā)生電流8.71 A，常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流7.08 A，新型陽(yáng)極發(fā)生電流超出常規(guī)陽(yáng)極22%，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值10%。然后，發(fā)生電流增加值逐漸增加，到100 d時(shí)迅速降低（100 d內(nèi)的平均電流增加值為34%），到150 d時(shí)新型陽(yáng)極發(fā)生電流與常規(guī)陽(yáng)極相當(dāng)，以后的時(shí)間內(nèi)，新型陽(yáng)極發(fā)生電流與常規(guī)陽(yáng)極接近，甚至出現(xiàn)新型陽(yáng)極發(fā)生電流略低于常規(guī)陽(yáng)極的情況。

圖4 2#新型陽(yáng)極較1#常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流增加值隨時(shí)間變化趨勢(shì)

新型陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)在22 d時(shí)被極化到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保護(hù)電位區(qū)間[1-3]，在267 d時(shí)被極化到-1000 mV；而常規(guī)陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)是分別在43 d和386 d極化到-800 mV和-1000 mV，說(shuō)明新型陽(yáng)極初期發(fā)生電流大，被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)極化較快。新型陽(yáng)極發(fā)生電流增加值初期逐漸增加，應(yīng)該是新型陽(yáng)極本體與翼翅之間區(qū)域逐漸活化的結(jié)果，前文已有詳解[9-10]，在此不再累述。

從圖3和圖4分析可知，新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極下水初期發(fā)生電流均高于設(shè)計(jì)值，這一點(diǎn)在前期的室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)海試驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，應(yīng)該與初期驅(qū)動(dòng)電壓選值有關(guān)[1-3]。國(guó)內(nèi)海洋工程犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電壓為250 mV，而實(shí)際上，導(dǎo)管架平臺(tái)下水初期，鋁陽(yáng)極開(kāi)路電位為-1050 mV，碳鋼海水中自腐蝕電位為-650 mV，驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到400 mV，因此發(fā)生電流高于設(shè)計(jì)值。

第一階段犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流快速降低應(yīng)該是導(dǎo)管架被極化的結(jié)果，從圖3b可以看出，在新型陽(yáng)極發(fā)生電流快速下降的20 d內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電位由-640 mV迅速負(fù)移到-813 mV，驅(qū)動(dòng)電壓由410 mV下降到237 mV，下降了近1/2。常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流快速下降的50 d內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電位由-651 mV迅速負(fù)移到-818 mV，驅(qū)動(dòng)電壓由400 mV下降到232 mV，下降亦接近1/2。

有研究結(jié)果表明，海水環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)表面在-800 mV時(shí)較難形成穩(wěn)定有效的鈣鎂沉積層，而在-900~-1000 mV時(shí)則可形成致密且具有較好保護(hù)作用的沉積層，尤其是-900 mV左右，形成的沉積層更為平整致密[12-13]。第一階段后期發(fā)生電流緩慢下降和鋼結(jié)構(gòu)表面極化電位緩慢負(fù)移相同步，因此筆者認(rèn)為這個(gè)階段應(yīng)該是鋼結(jié)構(gòu)表面鈣鎂沉積層逐漸形成并沉積覆蓋的結(jié)果。新型陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)電位在第50~120 天的70 d內(nèi)由-818 mV緩慢負(fù)移到-869 mV，而常規(guī)陽(yáng)極鋼結(jié)構(gòu)電位在第60~120 天的60 d內(nèi)由-813 mV緩慢極化到-827 mV。以上兩者電位區(qū)間均低于-800 mV，具備了形成具有保護(hù)作用的沉積層的條件，尤其是新型陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)，后期電位達(dá)到了-869 mV，接近900 mV。

第二階段的陽(yáng)極發(fā)生電流快速降低得益于在第一階段后期長(zhǎng)達(dá)70 d極化過(guò)程形成的致密而具保護(hù)性的鈣鎂沉積層，使得鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電流需求快速降低。有文獻(xiàn)資料顯示，致密的鈣鎂沉積層的形成可以將保護(hù)電流成10倍降低[1-2]。隨著鋼結(jié)構(gòu)表面電位快速負(fù)移至-1000 mV附近，與犧牲陽(yáng)極的閉路電位-1050 mV差值僅50 mV左右，驅(qū)動(dòng)電壓降低至歷史低位，加上鈣鎂沉積層的不斷形成覆蓋，保護(hù)電流需求更低，因此，犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流亦達(dá)到歷史低值。

2.2 3#常規(guī)與4#新型陽(yáng)極發(fā)生電流與保護(hù)電位對(duì)比

圖5是另外一組對(duì)稱位置3#常規(guī)與4#新型陽(yáng)極發(fā)生電流和鋼結(jié)構(gòu)表面極化電位對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯觯?#常規(guī)與4#新型陽(yáng)極發(fā)生電流和表面極化電位變化亦呈現(xiàn)出兩個(gè)階段的先快速后緩慢的變化過(guò)程。第一階段，新型陽(yáng)極發(fā)生電流在初期的29 d內(nèi)快速降低，由9.12 A降到7.00 A，30~120 d緩慢降低，由7.00 A降到5.75 A；常規(guī)陽(yáng)極初期22 d內(nèi)，發(fā)生電流由6.93 A快速下降到5.56 A，22~120 d從5.56 A緩慢降低到4.68 A。新型陽(yáng)極鋼結(jié)構(gòu)表面保護(hù)電位在初期43 d內(nèi)由-657 mV快速極化到-830 mV，46~120 d內(nèi)緩慢負(fù)移至-866 mV；常規(guī)陽(yáng)極初期的50 d內(nèi)保護(hù)電位由-666 mV快速極化到-824 mV，在50~120 d內(nèi)緩慢極化到-866 mV。

圖5 3#常規(guī)與4#新型陽(yáng)極發(fā)生電流與鋼結(jié)構(gòu)表面保護(hù)電位變化趨勢(shì)

第二階段，新型陽(yáng)極120~180 d發(fā)生電流由5.57 A快速降低到1.09 A，180 d以后的測(cè)試周期內(nèi)緩慢降低并穩(wěn)定在0.5 A左右；常規(guī)陽(yáng)極120~180 d發(fā)生電流由4.68 A快速降低到0.89 A，180 d以后，電流緩慢降低亦穩(wěn)定在0.5 A附近。第二階段極化電位變化趨勢(shì)是，新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極保護(hù)下的鋼結(jié)構(gòu)均在180 d左右快速下降到了-981 mV附近，且在240 d左右極化到-1000 mV，以后二者均穩(wěn)定在（-1000±25）mV。

圖6給出了初期240 d內(nèi)新型陽(yáng)極較常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流增加值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。下水初期新型陽(yáng)極發(fā)生電流超出常規(guī)陽(yáng)極31%，與第一組新型陽(yáng)極發(fā)生電流增加值不同的是，這種較大的增加值一直持續(xù)到180 d，在此期間的平均輸出電流增加值亦為31%。而后迅速降低，在195 d時(shí)常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流與新型陽(yáng)極相當(dāng)，200 d以后新型陽(yáng)極發(fā)生電流略低于常規(guī)陽(yáng)極15%左右。新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極鋼結(jié)構(gòu)均在29 d時(shí)被極化到-800 mV，而被極化到-1000 mV 的時(shí)間分別是218 d和232 d，兩者極化過(guò)程相近，新型陽(yáng)極將被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)快速極化的優(yōu)越性并未檢測(cè)到。

圖6 4#新型陽(yáng)極較3#常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流增加值隨時(shí)間變化趨勢(shì)

4#新型陽(yáng)極和3#常規(guī)陽(yáng)極的發(fā)生電流和極化電位及其變化趨勢(shì)與前一組（2#新型和1#常規(guī)）相近，因此，筆者認(rèn)為這兩組對(duì)比犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流和極化電位變化過(guò)程的原因應(yīng)該是相同的，在此不再累述。

通過(guò)對(duì)以上兩組新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流和極化電位分析可知，兩組陽(yáng)極的發(fā)生電流和極化電位均表現(xiàn)為明顯的兩個(gè)階段的先快速后緩慢的下降過(guò)程。第一階段的電流快速下降是被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)陰極極化快速負(fù)移，驅(qū)動(dòng)電壓迅速降低的結(jié)果。以發(fā)生電流緩慢降低和極化電位緩慢負(fù)移為特征的第一階段后期，是鋼結(jié)構(gòu)表面具有保護(hù)作用的鈣鎂沉積層逐漸形成并覆蓋的過(guò)程。在此期間，鋼結(jié)構(gòu)表面電位緩慢負(fù)移到有利于快速形成沉積層的電位區(qū)間[12-13]，驅(qū)動(dòng)電壓逐漸降低，陽(yáng)極發(fā)生電流亦緩慢降低。從第二階段初期陽(yáng)極發(fā)生電流的再次快速降低，可以推測(cè)在第一階段的后期，鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)該是形成了具有良好保護(hù)作用的鈣鎂沉積層。鈣鎂沉積層的沉積與覆蓋有效地降低了金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的面積，同時(shí)阻礙了受擴(kuò)散控制的氧還原反應(yīng)，大大降低了對(duì)陰極保護(hù)電流的需求。因此，陽(yáng)極發(fā)生電流快速降低，鋼結(jié)構(gòu)表面電位迅速負(fù)移。第二階段后期保護(hù)電流和極化電位均處于穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)該是鋼結(jié)構(gòu)表面沉積層的生成與溶解過(guò)程達(dá)到平衡，沉積層性能趨于穩(wěn)定的結(jié)果。

以上兩組對(duì)比試驗(yàn)中，新型陽(yáng)極初期發(fā)生電流均高于常規(guī)陽(yáng)極，發(fā)生電流的增加值均高于設(shè)計(jì)值，與前期的實(shí)海試驗(yàn)的結(jié)果相一致。被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)極化到保護(hù)電位區(qū)間，鈣鎂沉積層形成后，新型陽(yáng)極發(fā)生電流快速下降，達(dá)到了與常規(guī)陽(yáng)極相當(dāng)?shù)陌l(fā)生輸出。據(jù)此可知，如果按照目前國(guó)內(nèi)海洋導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這種初期發(fā)生電流大，初期極化完成后，新型陽(yáng)極降低到與常規(guī)陽(yáng)極相當(dāng)?shù)陌l(fā)生電流，可以達(dá)到節(jié)約犧牲陽(yáng)極用量的目的。

有兩個(gè)現(xiàn)象值得注意：

1）第一組新型陽(yáng)極發(fā)生電流高于常規(guī)陽(yáng)極持續(xù)了近90 d，而第二組持續(xù)了180 d，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的具體原因僅根據(jù)目前掌握的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能給出，可能與兩組對(duì)比陽(yáng)極所處的海洋環(huán)境條件，或者被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)的差異所致。

2）第一組對(duì)比試驗(yàn)中新型陽(yáng)極優(yōu)于常規(guī)陽(yáng)極，將被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)極化到保護(hù)電位區(qū)間，縮短了極化時(shí)間，降低了欠保護(hù)期間的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，與前期實(shí)海對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果相符。第二組新型陽(yáng)極與常規(guī)陽(yáng)極的極化過(guò)程相近，新型陽(yáng)極并未縮短極化到保護(hù)電位區(qū)間的時(shí)間，據(jù)此并不能得出新型陽(yáng)極可將被保護(hù)體快速極化、縮短極化時(shí)間的結(jié)論。

3 結(jié)論

1）質(zhì)量相近的新型陽(yáng)極初期發(fā)生電流高于常規(guī)陽(yáng)極34%和31%，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)表面具有保護(hù)作用的鈣鎂沉積層形成后，新型陽(yáng)極發(fā)生電流快速下降，達(dá)到了與和常規(guī)陽(yáng)極相當(dāng)?shù)陌l(fā)生輸出。據(jù)此結(jié)果對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，可達(dá)到節(jié)約犧牲陽(yáng)極用量的目的。

2）新型陽(yáng)極和常規(guī)陽(yáng)極發(fā)生電流和極化電位均表現(xiàn)為明顯的兩個(gè)階段的先快速后緩慢的下降過(guò)程。第一階段電流快速下降，被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)快速極化，驅(qū)動(dòng)電壓迅速降低，后期電流緩慢降低和電位緩慢負(fù)移應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)表面具有保護(hù)作用的鈣鎂沉積層的形成過(guò)程相對(duì)應(yīng)。第二階段發(fā)生電流快速降低應(yīng)該是沉積層覆蓋的結(jié)果，后期保護(hù)電流和極化電位均處于穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)該歸因于沉積層的生成與溶解過(guò)程達(dá)到平衡，沉積層性能趨于穩(wěn)定。

[1] NACE SP0176—2007, Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Steel Offshore Structures Associated with Petroleum Production[S].

[2] DNV Standard DNV-RP-B401—2010, Cathodic Protection Design[S].

[3] SY/T10008—2010, 海上鋼質(zhì)固定石油生產(chǎn)構(gòu)筑物的腐蝕控制[S].

[4] 常煒, 栗艷霞, 徐桂華, 等. 海上平臺(tái)陰極保護(hù)原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)海上油氣(工程), 1999, 11(3): 27-30.

[5] 陳武, 楊洋, 龍?jiān)? 等. 海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架陰極保護(hù)的實(shí)施和改進(jìn)[J]. 石油化工腐蝕與防護(hù), 2014, 31(5): 44-47.

[6] 張經(jīng)磊. 犧牲陽(yáng)極的電阻公式[J]. 海洋科學(xué), 1987(5): 54-58.

[7] 中國(guó)海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司. 異型截面犧牲陽(yáng)極: 中國(guó), CN101463479A[P]. 2009-06-24.

[8] 張偉, 尹鵬飛, 張有慧, 等. 海洋工程用新型犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)與性能研究(Ⅰ)——小尺寸陽(yáng)極靜態(tài)海水試驗(yàn)研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2016, 13(2): 63-70.

[9] 張偉, 尹鵬飛, 劉福國(guó), 等. 海洋工程用新型犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)與性能研究(Ⅱ)——小尺寸陽(yáng)極實(shí)海試驗(yàn)研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2017, 14(3): 101-106.

[10] 張偉, 楊海洋, 陳亞林, 等. 海洋工程用新型犧牲陽(yáng)極設(shè)計(jì)與性能研究(Ⅲ)——中尺寸陽(yáng)極實(shí)海試驗(yàn)研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2017, 14(2): 46-50.

[11] GB/T 4948—2002, 鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極[S].

[12] 朱錫昶, 葛仁淦, 朱穎. 大電流密度下陰極產(chǎn)物膜的探討[J]. 海洋工程, 1997, 15(1): 60-69.

[13] 溫國(guó)謀, 鄭輔養(yǎng). 海水中陰極保護(hù)時(shí)鈣質(zhì)沉積層的形成及其應(yīng)用[J]. 腐蝕與防護(hù), 1995(1): 50-53.

Design and Performance Research of New Type Sacrificial Anode for Marine Engineering (Ⅳ)—Application of Cathodic Protection of Jacket Platform

LIU Fu-guo,ZHANG Wei,WANG Xiu-tong,YIN Peng-fei,HUANG Zhi-qiang,ZHANG Guo-qing,HAN Bing,LI Xiang-yang

(1.Design Company of Offshore Oil Engineering Co. Ltd, Tianjin 300451, China; 2.Qingdao NCS Testing and Protection Technology Co. Ltd, Qingdao 266071, China; 3.Qingdao Research Institute for Marine Corrosion, Qingdao 266071, China; 4.Institute of Oceanology Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 5.Central Iron and Steel Research Institute, China Iron and Steel Research Institute Group, Beijing 100081, China)

To design a new type sacrificial anode by configuration optimization to increase the current output in the initial stage when it has the similar quality to that of conventional anode, to rapidly polarize the cathode to the protection interval. In the late stage, the current is going to be reduced, to meet the needs of the average and the end protection current demand, and achieve the purpose of saving sacrificial anode.Two wings were added in both sides of the traditional anode, to reduce the water-resistance and increase the initial current. The rapid dissolution of the wings reduced the surface area rapidly and also the current output.For new type anode with similar qualities with the conventional anode, the initial current outputs increased by more than 30%, much higher than the designed value of 10%. After the initial polarization, the current outputs of the new type anode were rapidly reduced to the level equivalent to the conventional anode.According to the test results, the cathodic protection design of jacket platform can achieve the purpose of saving sacrificial anode.

marine engineering; cathodic protection; sacrificial anode; new type anode

TJ01；TG174.2

A

1672-9242(2018)03-0014-06

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.003

2018-01-19；

2018-02-05

劉福國(guó)（1979—），男，天津人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)椴牧细g與防護(hù)。