尹 萍,孫仁興,李海祥,趙永韜

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，青島 266101)

海底鋼制管線采用的防腐蝕措施大多為陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合保護(hù)方式，其中陰極保護(hù)通常選擇犧牲陽(yáng)極方法[1]。犧牲陽(yáng)極埋于地下或安裝于海水介質(zhì)中，按DNVGL RP B401-2017標(biāo)準(zhǔn)CathodicProtectionDesign單個(gè)犧牲陽(yáng)極的保護(hù)周期通常設(shè)計(jì)為20～30 a。鑒于海底工程設(shè)施建設(shè)施工復(fù)雜，投入成本高等原因，近年來(lái)對(duì)海底管線防腐蝕設(shè)施服役壽命的要求越來(lái)越高[2-3]。舟山市某引水工程為國(guó)家重大水利工程項(xiàng)目，其中21 km海底管線全埋于海泥中，其犧牲陽(yáng)極具有無(wú)法更換，難以檢查和維修等特點(diǎn)。因此，要求單個(gè)犧牲陽(yáng)極的保護(hù)周期達(dá)到50 a。海泥環(huán)境復(fù)雜，且超長(zhǎng)時(shí)間服役后涂層會(huì)老化，因此長(zhǎng)期穩(wěn)定的電化學(xué)性能對(duì)于全埋于海泥中的犧牲陽(yáng)極尤為關(guān)鍵[4-9]。

在JTS153-2015《水運(yùn)工程機(jī)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確提出：海水環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極材料應(yīng)根據(jù)環(huán)境介質(zhì)條件選用鋁合金或鋅合金，海泥中應(yīng)慎用鋁合金。這也是考慮到海泥對(duì)陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)電壓和電流效率可能產(chǎn)生的不利影響而提出的警示。因此，以海泥為試驗(yàn)介質(zhì)驗(yàn)證全埋于海泥中且服役時(shí)間超長(zhǎng)的鋁合金陽(yáng)極的電化學(xué)性能參數(shù)是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本工作描述了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證過(guò)程，以及由此給陰極保護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)的優(yōu)化結(jié)果。

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用2種鋁合金陽(yáng)極，分別是優(yōu)選組分AZF01型陽(yáng)極和DNV標(biāo)準(zhǔn)組分AZF02型陽(yáng)極，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。根據(jù)ISO 15589-2-2012、DNVGL RP F103-2016和NACE Standard TM0190-2006標(biāo)準(zhǔn)，在海泥和相同電阻率的淡海水環(huán)境中分別進(jìn)行了電化學(xué)性能加速試驗(yàn)。試驗(yàn)前到工程現(xiàn)場(chǎng)取海泥，在實(shí)驗(yàn)室采用伏安法測(cè)得海泥的電阻率為70～80 Ω·cm,并配制電阻率相同的淡海水。

表1 兩種陽(yáng)極的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of two anodes (mass fraction) %

將陽(yáng)極加工成φ10 mm×50 mm圓柱形試樣，在試樣的下表面鉆φ2 mm的孔并攻絲，連接導(dǎo)電棒。試樣表面經(jīng)無(wú)水乙醇除油，去離子水沖洗，烘干后進(jìn)行稱量。試樣預(yù)留14 cm2的工作面，其余部分用絕緣膠帶封裝。按照DNVGL-RP-B401-2017《陰極保護(hù)設(shè)計(jì)》附錄B的要求通電(第1天至第4天通電電流密度依次為1.5，0.4 ，4.0，1.5 mA/cm2)并進(jìn)行電位監(jiān)測(cè)(測(cè)量電位均相對(duì)于飽和甘汞電極而言)，總試驗(yàn)時(shí)間為96 h。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣進(jìn)行清洗、烘干、稱量，計(jì)算其電化學(xué)容量、電流效率，觀察陽(yáng)極試樣的表面溶解形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)DNVGL-RP-B401標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)公式，計(jì)算AZF01、AZF02型陽(yáng)極在海泥和淡海水環(huán)境中的電化學(xué)性能參數(shù)，結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，在電阻率為70～80 Ω·cm的海泥和淡海水環(huán)境中，AZF01型陽(yáng)極的電容量、電流效率等性能參數(shù)均優(yōu)于AZF02型陽(yáng)極，且AZF01型陽(yáng)極在海泥介質(zhì)中的電化學(xué)性能比其在淡海水中的更為突出。

2.2 電位分析

圖1、圖2分別是在海泥和淡海水中AZF01和AZF02型陽(yáng)極的時(shí)間-電位曲線。結(jié)果表明：兩種陽(yáng)極在海泥中的電位相差較大，差值在50～100 mV，AZF01型陽(yáng)極的電位不大于-1.00 V，AZF02型陽(yáng)極的電位不大于-0.95 V；而在淡海水環(huán)境中，兩者的電位接近，差值小于10 mV。通電第1天至第4天對(duì)應(yīng)的電流密度依次為1.5，0.4，4.0，1.5 mA/cm2，電位曲線趨勢(shì)表明所有陽(yáng)極試樣的電位均隨著電流密度的增大而正移。

表2 兩種陽(yáng)極在不同環(huán)境中的電化學(xué)性能Tab. 2 Electrochemical performance of two anodes in different environments

(a) AZF01

(b) AZF02圖1 海泥中AZF01和AZF02型陽(yáng)極的時(shí)間-電位曲線Fig. 1 Curves of time and potential for anodes AZF01 and AZF02 in sea mud

2.3 陽(yáng)極溶解形貌

犧牲陽(yáng)極的溶解形貌是評(píng)價(jià)陽(yáng)極性能的一個(gè)重要指標(biāo)。如果犧牲陽(yáng)極表面附著了溶解產(chǎn)物，或者發(fā)生了不均勻溶解現(xiàn)象，勢(shì)必會(huì)影響其服役性能和有效服役壽命[15-17]。

圖3為AZF01和AZF02型陽(yáng)極的溶解形貌。結(jié)果表明：兩種陽(yáng)極在淡海水中的溶解形貌均優(yōu)于其在海泥中的。因?yàn)樵诘Ｋ?，電子擴(kuò)散/遷移的過(guò)程阻力小，陽(yáng)極溶解均勻，晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化可以增大晶界面積，在一定程度上降低了低熔點(diǎn)合金元素在晶界上的偏析，使合金組織得到一定程度的改善，從而提高陽(yáng)極的電化學(xué)性能和壽命[15]，這與表1所示陽(yáng)極電化學(xué)性能數(shù)據(jù)相吻合。

(a) AZF01

(b) AZF02圖2 淡海水中AZF01和AZF02型陽(yáng)極的時(shí)間-電位曲線Fig. 2 Curves of time and potential for anodes AZF01 and AZF02 in brackish water

在海泥中腐蝕后，AZF01型陽(yáng)極的晶粒更細(xì)，溶解更均勻，故預(yù)測(cè)長(zhǎng)期使用后其溶解形貌會(huì)比較良好；AZF02型陽(yáng)極的晶粒大，腐蝕形貌呈現(xiàn)“金屬海綿”狀[15]，相對(duì)不均勻，這也是AZF02型陽(yáng)極電容量和電流效率相對(duì)較低的主要原因，因此在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。

2.4 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

分別以AZF01和ZAF02鋁合金材料為舟山市某引水工程海底管線陰極保護(hù)的犧牲陽(yáng)極，通過(guò)計(jì)算用量，對(duì)比兩種陽(yáng)極的設(shè)計(jì)結(jié)果。該工程的鋼管尺寸為φ820 mm×10 mm，全長(zhǎng)21 km,管線全線埋設(shè)在海泥1 m以下，保護(hù)年限50 a，外部防腐蝕措施采用涂層+犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的方式[12-13]。鋁合金犧牲陽(yáng)極為卡箍型。陽(yáng)極參數(shù)：陽(yáng)極內(nèi)徑910 mm，厚度60 mm,長(zhǎng)度523 mm，縫隙寬度50 mm,每套質(zhì)量246.5 kg。陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)：海泥電阻率75 Ω·cm，陽(yáng)極利用系數(shù)0.8，防腐蝕層破損率3%(初期)、3.5%(平均)、4%(末期)。參考DNVGL-RP-B401標(biāo)準(zhǔn)的取值方法，陽(yáng)極電容量設(shè)計(jì)值按短期試驗(yàn)結(jié)果乘以系數(shù)0.8，分別為1 840 Ah/kg 和1 600 Ah/kg；陽(yáng)極工作電位分別為-1.0 V和-0.95 V；管線陰極保護(hù)電位為-0.8 V；管線平均設(shè)計(jì)電流密度為0.05 A/m2[5-6]。

按照DNVGL-RP-F103-2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，分別計(jì)算出滿足平均需求電流、末期需求電流和末期保護(hù)距離所需陽(yáng)極數(shù)量，最后對(duì)陽(yáng)極設(shè)計(jì)用量進(jìn)行確認(rèn)和校核,結(jié)果如表3所示。

由表3可知，海底管線服役周期為50 a，當(dāng)選用AZF01陽(yáng)極時(shí)，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)果如下：陽(yáng)極質(zhì)量246.5 kg/套，陽(yáng)極數(shù)量116套，陽(yáng)極實(shí)際安裝間距181 m，陽(yáng)極總質(zhì)量28 594.0 kg。當(dāng)選用AZF02型陽(yáng)極時(shí)，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)果如下：陽(yáng)極質(zhì)量246.5 kg/套，陽(yáng)極數(shù)量155套，陽(yáng)極實(shí)際間距136 m，陽(yáng)極總質(zhì)量38 207.5 kg。

表3 在某21 km海底管線陰保設(shè)計(jì)中滿足不同需求時(shí)所需陽(yáng)極數(shù)量Tab. 3 Quantity of anodes meeting different requirements in cathodic protection design of a 21 km subnarine pipeline

3 結(jié)論

在海泥和淡海水環(huán)境中，常規(guī)鋁合金陽(yáng)極的電化學(xué)性能存在很大差異，對(duì)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響。在海泥中， 優(yōu)選組分的AZF01型陽(yáng)極表面溶解更加均勻，工作電位負(fù)偏移50 mV，電容量提高260 Ah/kg,電流效率提高10%。推測(cè)其在陰極保護(hù)運(yùn)行中后期，保護(hù)效果將遠(yuǎn)優(yōu)于DNV標(biāo)準(zhǔn)組分的AZF02陽(yáng)極。

在超長(zhǎng)服役周期全埋設(shè)海底管線的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，由于AZF01型陽(yáng)極的驅(qū)動(dòng)電壓和電容量設(shè)計(jì)值比相同條件AZF02型陽(yáng)極的高，所以陰極保護(hù)設(shè)計(jì)用量可節(jié)約25%，在工程的材料用量和施工等環(huán)節(jié)均可大幅節(jié)省成本。