劉昊天 王金光 張曉勇 徐學(xué)利 單汗青 張浩強(qiáng)

（1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2. 北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，當(dāng)前已有眾多已經(jīng)建成和正在建設(shè)的海上平臺(tái)、海底管道、港口碼頭、跨海大橋等大型海洋基礎(chǔ)設(shè)施[1]，犧牲陽(yáng)極保護(hù)法是這些海洋基礎(chǔ)設(shè)施最常采用的陰極保護(hù)方法[2,3]。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法由于具有電流分散能力好、易于管理和維護(hù)，費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)[4,5]，已經(jīng)廣泛用于各種海洋設(shè)備的腐蝕防護(hù)[6,7]。當(dāng)前發(fā)展成熟的犧牲陽(yáng)極主要有純鎂及鎂合金陽(yáng)極、純鋅及鋅合金陽(yáng)極、鋁合金陽(yáng)極和鐵合金陽(yáng)極。其中，鋅合金犧牲陽(yáng)極具有較高的電流效率，對(duì)金屬設(shè)施保護(hù)效果較好，具有資源豐富，制造工藝簡(jiǎn)單，電化學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn),而且鋅合金熔點(diǎn)低,流動(dòng)性好,易熔焊，目前已成為應(yīng)用最廣的犧牲陽(yáng)極材料之 一[8-10]。關(guān)于該陽(yáng)極材料在水中的腐蝕機(jī)理對(duì)其性能的影響，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)報(bào)道，而關(guān)于鋅犧牲陽(yáng)極材料使用壽命的預(yù)測(cè)，未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命一般為10～15a[11,12]，為準(zhǔn)確掌握水中鋅陽(yáng)極消耗情況，并正確評(píng)估對(duì)設(shè)備的保護(hù)狀況。實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)測(cè)試和加速浸泡實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地分析了鋅陽(yáng)極在水中的腐蝕狀況及電化學(xué)特征，計(jì)算犧牲陽(yáng)極實(shí)際消耗率，最終推算陽(yáng)極剩余使用壽命，從而驗(yàn)證了智能排流器對(duì)鋅犧牲陽(yáng)極狀況傳輸和對(duì)鋅犧牲陽(yáng)極壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。這為類似工程防腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵的參數(shù)選擇提供參考，也為設(shè)計(jì)運(yùn)行多年的海洋設(shè)備的有效保護(hù)提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)裝置主要由輔助陰極（與管道同材質(zhì)圓筒狀）、實(shí)驗(yàn)容器、恒流電源（直流電源輸出電壓不小于20V，輸出電流不小于3A）、直流電壓表、智能排流器、陽(yáng)極試樣（鋅合金犧牲陽(yáng)極）共6部分組成。如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用恒流電源采用漢晟普源HSPY 36-03可調(diào)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，稱重儀使用精確到小數(shù)點(diǎn)后2位的天平秤。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，通過(guò)改變流經(jīng)陽(yáng)極試樣的電流密度，每8h左右測(cè)量陽(yáng)極試樣的工作電位，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算陽(yáng)極試樣的平均腐蝕速率和實(shí)驗(yàn)誤差，并觀測(cè)陽(yáng)極試樣的溶解情況，以此對(duì)陽(yáng)極試樣電化學(xué)性能進(jìn)行分析。

帶狀鋅陽(yáng)極的電化學(xué)性能如表1所示，將陽(yáng)極在實(shí)驗(yàn)前采用砂紙（400～1500號(hào)）逐級(jí)打磨試樣表面后，用蒸餾水清洗，再用無(wú)水乙醇去除表面的污漬，隨后及時(shí)將試樣放入烘箱，烘干30min，烘箱溫度設(shè)定為100±5℃，取出后盡快放入干燥器內(nèi)，將陽(yáng)極掛片自然冷卻至室溫后進(jìn)行稱量。將陽(yáng)極試樣置于人造海水中進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，水浴溫度控制為25℃，給定初始電流為1.845A；在8h后更變?yōu)?.045A。每隔8h左右將試樣取出，去除表面腐蝕產(chǎn)物，干燥后稱量。稱量結(jié)束后將實(shí)驗(yàn)容器洗刷干凈，換水并重新制造模擬環(huán)境，重復(fù)上述步驟直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

表1 鋅犧牲陽(yáng)極性能

犧牲陽(yáng)極實(shí)驗(yàn)已消耗質(zhì)量按照式（1）進(jìn)行 計(jì)算：

式中，I為總電流，A；T為設(shè)計(jì)壽命，y；Z為理論電容量，A；W為犧牲陽(yáng)極已消耗重量，kg。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，在考慮年平均消耗基本一致的情況下，陽(yáng)極剩余質(zhì)量基本能夠滿足預(yù)期設(shè)計(jì)使用壽命，即剩余10～15a，但是設(shè)備隨時(shí)間遷移其表面涂層破損程度越來(lái)越大，防腐性能變差，導(dǎo)致?tīng)奚?yáng)極在后期損耗速率逐漸增大。盡管此時(shí)犧牲陽(yáng)極還未被完全耗盡，但已不能繼續(xù)提供最小的的陰極保護(hù)電流。犧牲陽(yáng)極的此種狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)由利用系數(shù)U來(lái)定義，利用系數(shù)一般介于0.5～0.9之間，具體取決于其運(yùn)行狀態(tài)，利用系數(shù)越大，壽命越長(zhǎng)。所以在計(jì)算犧牲陽(yáng)極剩余使用年限時(shí)采用以下公式，利用犧牲陽(yáng)極理論消耗率計(jì)算壽命如公式（2）所示：

式中，L為陽(yáng)極壽命，a；I為流出犧牲陽(yáng)極的平均電流，A，包含用于排流和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的陰極保護(hù)電流；Wt為犧牲陽(yáng)極現(xiàn)有質(zhì)量，kg；Cr為犧牲陽(yáng)極理論消耗率，kg/A·a，鋅陽(yáng)極取10.76kg/A·a；U為利用系數(shù)，0.5～0.9；E為電流效率，%，鋅陽(yáng)極取90%；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)流出犧牲陽(yáng)極電流（電流方向規(guī)定流入為“-”，流出為“+”），利用犧牲陽(yáng)極理論消耗率或理論電容量計(jì)算理論壽命，根據(jù)估算自安裝至監(jiān)測(cè)時(shí)陽(yáng)極已消耗重量，得到剩余陽(yáng)極重量和陽(yáng)極試樣的腐蝕速率，用于陽(yáng)極剩余壽命計(jì)算。統(tǒng)計(jì)結(jié)果并繪制折線圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較得出結(jié)論。

陽(yáng)極試樣的腐蝕速率v計(jì)算公式如式（3） 所示：

式中，t為實(shí)驗(yàn)周期，h。m1為實(shí)驗(yàn)前陽(yáng)極試樣質(zhì)量，g；m1為實(shí)驗(yàn)前陽(yáng)極試樣質(zhì)量，g；

2 結(jié)果與討論

為了探求此次實(shí)驗(yàn)是否符合規(guī)定和要求，實(shí)驗(yàn)中采用了鋅犧牲陽(yáng)極作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)裝置按照?qǐng)D1所示搭建。分別測(cè)量陽(yáng)極材料消耗量，電流密度，計(jì)算實(shí)際消耗速率和理論消耗速率，如表2所示。

因?yàn)榻饘俑g會(huì)降低測(cè)試樣本的電阻率，故每次測(cè)量后調(diào)整電壓大小，控制電路電流在給定大小，在8h前控制電路在1.845A左右，之后加大到3.045A。由表2可知實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)實(shí)際平均消耗速率為3.41g/h，理論平均消耗速率為3.50g/h。

表2 實(shí)際消耗質(zhì)量與預(yù)計(jì)消耗質(zhì)量對(duì)比

通過(guò)觀察折線圖可得測(cè)量結(jié)果與預(yù)計(jì)理論測(cè)量結(jié)果基本符合，實(shí)驗(yàn)誤差控制在±2.5%以內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)鋅犧牲陽(yáng)極的消耗速率的檢測(cè)和鋅犧牲陽(yáng)極壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性是達(dá)標(biāo)且可靠的。

圖2 實(shí)驗(yàn)誤差隨時(shí)間的變化曲線

智能排流器通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流密度，將平均電流密度進(jìn)行計(jì)算來(lái)得到當(dāng)前時(shí)間段消耗質(zhì)量，并對(duì)犧牲陽(yáng)極的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。最終對(duì)設(shè)備的陰極保護(hù)情況進(jìn)行評(píng)估。在網(wǎng)站上監(jiān)測(cè)的每時(shí)段電流平均值如表3所示。排流器監(jiān)測(cè)消耗質(zhì)量與實(shí)際消耗質(zhì)量對(duì)比結(jié)果如表4所示，計(jì)算得實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)排流器監(jiān)測(cè)平均腐蝕速率為3.48g/h，實(shí)際平均消耗速率為3.16g/h。

表3 每時(shí)段電流平均值

表4 排流器預(yù)測(cè)腐蝕質(zhì)量與實(shí)際腐蝕質(zhì)量對(duì)比

繪制誤差折線圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)誤差隨時(shí)間的變化曲線

通過(guò)觀察折線圖可得誤差控制在±2.5%以內(nèi)，測(cè)量結(jié)果與監(jiān)測(cè)測(cè)量結(jié)果基本符合，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，該智能排流器對(duì)鋅犧牲陽(yáng)極的消耗速率的監(jiān)測(cè)和鋅犧牲陽(yáng)極壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性是達(dá)標(biāo)且可靠的。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)主要采用了加速消耗法和電化學(xué)法兩種實(shí)驗(yàn)方法，研究了智能排流器對(duì)鋅合金犧牲陽(yáng)極在海水腐蝕行為中壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。首先構(gòu)建腐蝕電池進(jìn)行加速消耗實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算實(shí)際消耗速率和預(yù)計(jì)消耗速率，通過(guò)對(duì)比兩者之間的誤差來(lái)確定此實(shí)驗(yàn)是否成功，數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。之后通過(guò)智能排流器上傳至北京安科腐蝕官網(wǎng)的數(shù)據(jù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算比對(duì)，驗(yàn)證了此排流器在實(shí)驗(yàn)中電位，電流等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，證明了此設(shè)備對(duì)鋅合金犧牲陽(yáng)極壽命預(yù)測(cè)的可靠性。