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前沿科技 | 極端海洋環(huán)境鋁合金犧牲陽極服役狀況調(diào)查分析

2019-09-24 13:21:58 作者：張文鋒陳韜　馬化雄　中交天津港灣工程研究院有限公司來源：《腐蝕與防護之友》分享至：

一、引言

犧牲陽極陰極保護作為一種有效的防腐方法，具有保護度高、保護費用低、保護周期長、維護要求低等優(yōu)點，在海洋工程構(gòu)筑物中得到了廣泛使用。犧牲陽極是一種依靠自身腐蝕速率增加而使與之偶合的陰極（鋼結(jié)構(gòu)等）獲得保護的電極，其工作性能與化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、所處工作環(huán)境、表面狀態(tài)等因素密切相關(guān)。目前，常用的犧牲陽極有鋁合金犧牲陽極、鎂合金犧牲陽極和鋅合金犧牲陽極三種。其中，鋁合金犧牲陽極由于性價比高、實際電容量大等特點被廣泛的應(yīng)用于海洋環(huán)境中。下文主要就鋁合金犧牲陽極展開調(diào)查分析。

理論上講，當(dāng)鋁合金犧牲陽極質(zhì)量合格、設(shè)計合理時，只要陽極所處海洋環(huán)境狀態(tài)良好，陽極將按正常速度逐步消耗直至壽命結(jié)束。然而實際上，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和工程使用的需要，鋁合金犧牲陽極常處于不利的工作環(huán)境中，使得陽極性能下降、壽命縮短，嚴(yán)重影響陰極保護的效果和年限。當(dāng)鋁合金犧牲陽極在回淤環(huán)境下使用時，隨時間推移，陽極常會被海泥不同程度掩埋。

傳統(tǒng)犧牲陽極設(shè)計和施工通常很少考慮回淤的影響，因此當(dāng)設(shè)計用于海水環(huán)境中的鋁合金犧牲陽極被海泥掩埋，被動用于海泥中時，工作性能可能會下降甚至失效。犧牲陽極性能一旦下降甚至失效，不僅會因增加陽極用量使成本增高，而且將影響陰極保護效果和年限。

此外，在安裝初期，犧牲陽極表面狀況良好，溶解均勻，但一段時間后，表面往往會被較厚的海生物（如牡蠣、藤壺等）不均勻覆蓋，也會影響其使用效果。

為明確鋁合金犧牲陽極在極端海洋環(huán)境下（主要指回淤環(huán)境）的服役狀況，對典型港口碼頭、跨海大橋等展開了現(xiàn)場調(diào)查和分析。

二、極端海洋環(huán)境犧牲陽極服役狀況的現(xiàn)場調(diào)查

1. 回淤港口碼頭現(xiàn)場調(diào)查總體情況

現(xiàn)場調(diào)查了某回淤港口碼頭的鋁合金犧牲陽極，調(diào)查內(nèi)容包括犧牲陽極的保護效果、安裝狀態(tài)、表面溶解情況等。

現(xiàn)場調(diào)查方法包括潛水員探摸、水下攝像（見圖1）和現(xiàn)場取樣（見圖2）。

圖1 潛水員水下探摸及攝像

圖2 犧牲陽極現(xiàn)場取樣

某港口碼頭鋼管樁犧牲陽極的總體調(diào)查結(jié)果如下：

（1）該碼頭大部分犧牲陽極仍處于海水中，但鋼管樁底層（靠近泥面）和碼頭后方鋼管樁上的犧牲陽極，因回淤泥面升高，已被海泥不同程度掩埋。

（2）海水環(huán)境中犧牲陽極安裝狀態(tài)良好，未發(fā)生焊腳脫焊、陽極脫落等現(xiàn)象，但表面覆蓋著厚度不均勻的海生物和腐蝕產(chǎn)物（見圖3）。清除表面覆蓋物和腐蝕產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)，犧牲陽極溶解基本均勻，未發(fā)現(xiàn)陽極塊本體較大塊脫落的現(xiàn)象，但局部已出現(xiàn)不均勻溶解情況（圖4）。

（3）被保護鋼管樁電位為-780mV~-1050mV（相對于海水AgCl 電極，下同），處在保護電位范圍內(nèi)，說明盡管犧牲陽極系統(tǒng)被局部掩埋，調(diào)查期間犧牲陽極仍可為鋼管樁提供良好的保護。

圖3 清除附著物前的陽極狀況

圖4 清除附著物后的陽極狀況

2. 回淤港口碼頭犧牲陽極及其所處環(huán)境規(guī)律

根據(jù)歷年現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處在回淤環(huán)境下時，被調(diào)查碼頭的犧牲陽極及其所處環(huán)境呈現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）越靠近碼頭后方，犧牲陽極被掩埋的越嚴(yán)重。以某碼頭（見圖5）為例，該碼頭每個排架有9 個軸（A~H1），A 靠近碼頭前沿，H1 靠近碼頭后方。其中，A、B 軸安裝了3 塊陽極，C、D 軸安裝了2 塊陽極，E、F、G、H、H1 軸安裝1 塊陽極。檢查過程中發(fā)現(xiàn)，由于回淤導(dǎo)致的泥面升高，A、B 軸鋼管樁的下層陽極和G、H、H1 軸鋼管樁的陽極已處于被海泥掩埋狀態(tài)。碼頭后方本來泥面較高且易于淤積，這可能是造成上述規(guī)律的原因。

圖5 碼頭結(jié)構(gòu)示意圖

（2）隨著時間的推移，碼頭下方的海泥面也隨之升高，犧牲陽極的被掩埋比例也有所提高，但隨著時間的繼續(xù)推移，這種比例趨于穩(wěn)定。同樣以某碼頭為例，該碼頭犧牲陽極于2006 年投入使用，2011 年檢測發(fā)現(xiàn)，靠近碼頭前沿的A、B 軸鋼管樁的底層陽極，以及靠近碼頭后方的G、H、H1 軸的陽極已被掩埋。隨后數(shù)年，盡管泥面仍在升高，但犧牲陽極的被掩埋規(guī)律仍與2011 年基本相似。該規(guī)律可能也與回淤規(guī)律有關(guān)，即碼頭投產(chǎn)前期泥面升高較快，隨著時間推移趨于相對穩(wěn)定。

3. 回淤港口碼頭犧牲陽極現(xiàn)場取樣

為更好地觀察犧牲陽極表面狀況，在現(xiàn)場進行了海水中犧牲陽極（服役期）和海泥中犧牲陽極（已達(dá)使用壽命）的切割取樣。取樣在技術(shù)人員指揮下由潛水員實施，其過程是：在選定的鋼管樁處，利用水下切割法現(xiàn)場取出犧牲陽極，在清理表面腐蝕產(chǎn)物和其他附著物后，觀察犧牲陽極的狀況，檢查結(jié)束后將服役期海水中犧牲陽極重新焊接于原位置。

圖6 為海水中犧牲陽極的狀況。海水中的犧牲陽極表面被海生物和腐蝕產(chǎn)物不均勻覆蓋，清除覆蓋物后發(fā)現(xiàn)陽極表面凹凸不平，存在一些蝕坑，但未發(fā)現(xiàn)陽極塊本體大塊脫落。陽極表面蝕坑呈不均勻分布，以邊、角等部位居多且形狀不規(guī)則，說明陽極發(fā)生了局部溶解，特別是海生物覆蓋的邊、角部位，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的不均勻溶解。犧牲陽極腐蝕產(chǎn)物呈蓬松絮狀較易脫落，其中還夾雜著海泥、海生物等。

圖7 為海泥中犧牲陽極的狀況。海泥中犧牲陽極剛?cè)〕鰰r，表面全面包裹著海泥、腐蝕產(chǎn)物等附著物。但稍用力移動，表面附著物便大塊脫落，露出新鮮的陽極表面。由此可見，這些附著物并非固結(jié)在陽極表面，而是較易脫落。

除附著物整塊脫落外，陽極局部還出現(xiàn)了本體大塊脫落現(xiàn)象。相比之下，海水中陽極的表面腐蝕產(chǎn)物較少，且極少出現(xiàn)陽極大塊脫落現(xiàn)象。

4. 回淤環(huán)境下跨海大橋墩臺的現(xiàn)場調(diào)查

圖8 為某回淤環(huán)境下跨海大橋的墩臺。

墩臺鋼管樁的犧牲陽極也受到了回淤影響。2011 年檢測發(fā)現(xiàn)，G53~G68（G68 為靠近岸邊）已嚴(yán)重淤積；2014年檢測發(fā)現(xiàn)，G45~G68 的犧牲陽極已被海泥不同程度掩埋，而G34~G44 附近泥沙密度較大。由此可見，隨著時間的推移淤積加劇，海泥面逐升高使?fàn)奚枠O被掩埋越來越多。2011 年電位檢測表明，已淤積的G53~G68 墩臺鋼管樁電位在-672mV~-718mV（回淤嚴(yán)重區(qū)域），G34~G52 墩臺鋼管樁電位為-734mV~-875mV（回淤相對較輕區(qū)域）。由此可見，回淤嚴(yán)重區(qū)域鋼管樁電位正于回淤相對較輕區(qū)域，說明回淤越嚴(yán)重鋼管樁保護不足現(xiàn)象越顯著。綜上所述，隨著時間的推移淤積加重，犧牲陽極工作性能繼續(xù)下降，導(dǎo)致鋼管樁保護不足加劇。

三、極端海洋環(huán)境犧牲陽極所處狀態(tài)總結(jié)分析

圖9 為極端海洋環(huán)境犧牲陽極所處狀態(tài)。

當(dāng)鋁合金犧牲陽極在回淤海洋環(huán)境下使用時，回淤泥面升高造成鋼結(jié)構(gòu)上的犧牲陽極被不同程度掩埋，使設(shè)計使用于海水中的犧牲陽極在海泥中服役。犧牲陽極被海泥掩埋初期，海泥疏松飽水，電阻率仍相對較小，對陽極工作性能影響有限，故犧牲陽極仍可為鋼結(jié)構(gòu)提供足夠保護。隨著時間推移，海泥逐步沉積越來越致密，電阻率也隨之增大，海泥掩埋使?fàn)奚枠O腐蝕產(chǎn)物局部擴散困難，進而產(chǎn)生局部腐蝕使得被掩埋犧牲陽極電流發(fā)生能力下降，導(dǎo)致其被掩埋陽極保護效果減弱。在海水中服役的犧牲陽極，隨著時間推移，表面被海生物不同程度覆蓋。海生物覆蓋造成陽極溶解表面不均勻，易造成局部溶解進而產(chǎn)生蝕坑。

但需指出，從犧牲陽極系統(tǒng)整體陰極保護效果來看，海泥面升高產(chǎn)生兩種效應(yīng)：①正面效應(yīng)：泥面升高，泥下區(qū)范圍擴大，水下區(qū)范圍縮小，被保護結(jié)構(gòu)對保護電流的需求減少，犧牲陽極系統(tǒng)壽命延長；②負(fù)面效應(yīng)：泥面升高，犧牲陽極被掩埋，其電流發(fā)生能力下降，犧牲陽極系統(tǒng)壽命減小。犧牲陽極不同掩埋狀態(tài)，對正負(fù)效應(yīng)有不同影響。一般而言，當(dāng)犧牲陽極被全面掩埋時，負(fù)面效應(yīng)大于正面效應(yīng)，犧牲陽極系統(tǒng)對鋼結(jié)構(gòu)保護不足；當(dāng)犧牲陽極局部掩埋時，正負(fù)效應(yīng)誰占主導(dǎo)，需根據(jù)具體情況確定。就某回淤港口調(diào)查結(jié)果來看，犧牲陽極被局部掩埋，回淤對犧牲陽極系統(tǒng)影響效果有限，調(diào)查期間犧牲陽極系統(tǒng)仍可為鋼管樁提供良好的保護。而就某回淤環(huán)境下跨海大橋墩臺來看，局部墩臺鋼管樁的犧牲陽極被全面掩埋，導(dǎo)致某些墩臺鋼管樁保護不足。限于篇幅，具體如何評價回淤環(huán)境犧牲陽極系統(tǒng)的整體陰極保護效果，本文在此不作詳述，待另文發(fā)表。

四、極端海洋環(huán)境犧牲陽極使用建議

現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范JTS 153-3-2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》指出，鋁合金犧牲陽極在海泥中可能會鈍化，即使在海泥中性能優(yōu)良的陽極品種，其電流效率也會有所下降，而且其電化學(xué)性能隨著海泥的性質(zhì)、溫度和使用時間而變化，因此鋁合金材料在海泥中應(yīng)慎用。當(dāng)在回淤環(huán)境使用犧牲陽極陰極保護，應(yīng)充分考慮回淤對犧牲陽極系統(tǒng)的影響，以便準(zhǔn)確科學(xué)地進行選材、設(shè)計和施工。

作者簡介

張文鋒，江蘇丹陽人，中交天津港灣工程研究院有限公司防腐技術(shù)研究所總工程師，高級工程師，從事海洋腐蝕與防護科研、檢測、設(shè)計、施工等方面的工作。主持和參與國家、部級、局級、橫向各類科研項目近30 項，其中三項成果達(dá)國際先進水平。參與行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定5 項。發(fā)表論文數(shù)十篇，其中多篇被SCI、EI、CPCI（ISTP）收錄，合作出版著作 2 本。授權(quán)專利14 項、軟件著作權(quán)1 項。曾獲得中國腐蝕與防護學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎、中國水運建設(shè)行業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎、中交一航局科技進步獎，天津港（集團）有限公司科技進步獎等。多項成果得到成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

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