隨著我國水利工程建設(shè)的不斷發(fā)展，修建了大量水閘、水庫、水電站及船閘等水利工程設(shè)施。水工金屬結(jié)構(gòu)是水利水電樞紐中不可缺少的重要設(shè)施，埋件也是水工金屬結(jié)構(gòu)的重要組成部分。由于它們長期在水中工作或在干濕交替的環(huán)境中運行，受各種水質(zhì)及微生物的侵蝕，同時會受到水流、泥沙及一些漂浮物的摩擦，普遍會發(fā)生不同程度的腐蝕。根據(jù)SL 105-2007《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范》，目前埋件外露面普遍采用金屬涂層＋軟涂層復(fù)合保護(hù)的方法，埋入面則采用噴水泥砂漿的方法進(jìn)行保護(hù)。由于閘門滑塊或者滾輪的摩擦作用，涂層很容易脫落導(dǎo)致埋件生銹。由于埋件可更換性差，更換成本高，延長埋件使用壽命刻不容緩。

陰極保護(hù)技術(shù)是電化學(xué)保護(hù)技術(shù)的一種，其原理是向被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)施加一個外加電流，被保護(hù)結(jié)構(gòu)成為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。陰極保護(hù)技術(shù)在化工、冶金、石油石化、燃?xì)庑袠I(yè)、港口金屬結(jié)構(gòu)保護(hù)方面得到了廣泛的應(yīng)用，是一種延長金屬結(jié)構(gòu)使用壽命行之有效的方法。中建七局安裝工程有限公司和水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心的技術(shù)人員將陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用于水工金屬結(jié)構(gòu)埋件，以期為埋件提供切實可行的長效保護(hù)方式。

試驗研究

試驗用埋件委托三門峽水工機械有限公司制作，埋件尺寸為6000mm×200mm。埋件外露面處于自然腐蝕狀態(tài)，埋入面用混凝土完全包覆。將制作完的埋件放置于8m×2m的混凝土試驗水池內(nèi)。埋件與試驗水池地面采用木板進(jìn)行隔離。在埋件上每隔0.5m焊接一個金屬構(gòu)件，作為試驗過程中的電位測量點。

試驗用犧牲陽極包括AZ63B鎂合金陽極（鎂陽極）、ZP-4鋅合金陽極（鋅陽極）、A11I-3鋁合金陽極（鋁陽極），均為塊狀陽極，為工程上經(jīng)常使用的犧牲陽極。

試驗用恒電位儀為PS-268A 型恒電位儀，所用參比電極為飽和硫酸銅參比電極（CSE），試驗中所有電位均相對于CSE，試驗前用飽和甘汞電極進(jìn)行了標(biāo)定。試驗過程中使用ProDSS多參數(shù)水質(zhì)分析儀對水質(zhì)進(jìn)行測量，儀器使用前采用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定。

犧牲陽極的開路電位

圖1 幾種犧牲陽極在不同電導(dǎo)率環(huán)境中的開路電位

由上圖可見：在淡水環(huán)境中，犧牲陽極的開路電位隨著溶液電導(dǎo)率的變化而變化，溶液電導(dǎo)率增加，犧牲陽極開路電位隨之下降，說明電導(dǎo)率是影響犧牲陽極開路電位的重要因素。由于鎂的化學(xué)活潑性，鎂陽極的開路電位比鋅陽極、鋁陽極的更負(fù)。在淡水中，鋁陽極的開始電位比鋅陽極的正，這主要是由于鋁陽極表面形成的鋁氧化膜比較致密，不容易從陽極表面脫落的緣故。

溶液電導(dǎo)率對保護(hù)距離的影響

 （a） 鎂陽極

（b） 鋅陽極

（c） 鋁陽極

圖2 不同電導(dǎo)率溶液中幾種陽極對埋件產(chǎn)生的保護(hù)電位與保護(hù)距離的關(guān)系

由上圖可見：隨著電導(dǎo)率的降低，三種犧牲陽極產(chǎn)生的保護(hù)電位隨之很快降低，且降低規(guī)律相似。三種犧牲陽極的保護(hù)距離均很短，按照保護(hù)電位達(dá)到-0.85V的判據(jù)，鋁陽極和鋅陽極在300~2000μS/cm溶液中的保護(hù)距離均小于100cm，無法對此環(huán)境中的埋件產(chǎn)生保護(hù)作用。基本只有鎂合金在溶液電導(dǎo)率為2000μS/cm時，對金屬埋件有100cm的保護(hù)距離，且在同種溶液中，鎂陽極對埋件的保護(hù)距離比鋅陽極、鋁陽極的稍大。

恒電位極化對保護(hù)距離的影響

 （a） -860mV

 （b） -900mV

 （c） -1000mV

圖3 不同電導(dǎo)率溶液中極化電位對鎂合金陽極的保護(hù)電位和保護(hù)距離的影響

由上圖可見：電導(dǎo)率是影響鎂陽極保護(hù)距離的重要因素。極化電位-860mV條件下，溶液電導(dǎo)率不超過800μS/cm，達(dá)到保護(hù)電位-0.85V的距離小于50cm；當(dāng)溶液電導(dǎo)率升高到2000μS/cm時，有效保護(hù)距離為150cm。另外，極化電位越負(fù)，保護(hù)距離越大。在2000μS/cm溶液中，極化電位在-860mV時，保護(hù)距離約150cm，極化電位為-900mV時，保護(hù)距離約為250cm，極化電位為-1000mV時，保護(hù)距離大于500cm。因此，提高極化電位是增加保護(hù)距離的一種重要手段。

分析討論

電化學(xué)陰極保護(hù)技術(shù)在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而且-0.85V也是被普遍接受的陰保判據(jù)，水工金屬結(jié)構(gòu)也不例外。水工金屬結(jié)構(gòu)埋件所處水質(zhì)環(huán)境以淡水環(huán)境為主，如長江、黃河為代表的淡水的電導(dǎo)率普遍不高，黃河三門峽水庫長年電導(dǎo)率為800~1400μS/cm，長江流域水質(zhì)的電導(dǎo)率更低，為200~400μS/cm。試驗結(jié)果表明，電導(dǎo)率低于2000μS/cm時，犧牲陽極的保護(hù)距離很短，使用時需要消耗大量的陽極材料，在設(shè)計施工時會產(chǎn)生很大的障礙，因此，犧牲陽極法在淡水環(huán)境中基本不適用。水工金屬結(jié)構(gòu)埋件處于海淡水及海水環(huán)境中時，海淡水電導(dǎo)率為5000~8000μS/cm，海水電導(dǎo)率為30000~40000μS/cm，隨著溶液電導(dǎo)率的增大，犧牲陽極的保護(hù)距離也隨之增大，這極大地提高了犧牲陽極的適用性。因此，在海淡水及海水環(huán)境中，犧牲陽極法可用于保護(hù)埋件。

在普通淡水環(huán)境中使用恒電位極化方法，即使溶液電導(dǎo)率較低，達(dá)到-850mV的保護(hù)距離接近500cm，且可以通過提高極化電位來增大保護(hù)距離；提高溶液電導(dǎo)率，也可大大增加保護(hù)距離。因此，恒電位極化方法可作為一種長效保護(hù)方法保護(hù)埋件。

結(jié)論

（1） 溶液電導(dǎo)率是影響陰極保護(hù)效果的決定性因素，電導(dǎo)率越大，陰極保護(hù)距離越大；

（2） 恒電位極化時，極化電位越負(fù)，陰極保護(hù)距離越大；

（3） 犧牲陽極法基本不適用于大多數(shù)淡水環(huán)境中的埋件，在海淡水和海水中可以采用；

（4） 恒電位極化方法可廣泛用于淡水、海淡水、海水環(huán)境中埋件的保護(hù)。