尚世超 潘方豪 李志雨

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

DESIGNsLOPE犧牲陽極陰極保護設(shè)計方法

尚世超 潘方豪 李志雨

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

海洋工程領(lǐng)域常用的犧牲陽極陰極保護設(shè)計法可能存在過度設(shè)計的問題。針對此問題，文章介紹了適用于無涂層結(jié)構(gòu)物的DESIGNsLOPE犧牲陽極陰極保護設(shè)計法。首先，簡述了陰極保護下結(jié)構(gòu)物表面生成鈣鎂沉積層的機理，分析了結(jié)構(gòu)物表面極化特性在設(shè)計壽命期內(nèi)的變化情況；然后，結(jié)合犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)等效電路，引出DESIGNsLOPE的概念，說明該設(shè)計方法的基本理論；最后，應(yīng)用DESIGNsLOPE設(shè)計法完成某平臺犧牲陽極陰極保護設(shè)計工作。該法能夠避免犧牲陽極陰極保護過度設(shè)計，從而提高設(shè)計方案的經(jīng)濟性。

陰極保護；犧牲陽極；DESIGNsLOPE；極化狀態(tài)；等效電路

引 言

鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物在海水環(huán)境中會受到嚴重的腐蝕作用，需要采取適當?shù)母g防護措施。陰極保護是一種常用而且有效的防腐方法［1］，其中犧牲陽極陰極保護技術(shù)已在世界范圍內(nèi)被廣泛采用［2］。在海洋工程領(lǐng)域，犧牲陽極陰極保護設(shè)計一般是按照規(guī)范推薦的設(shè)計準則和經(jīng)驗公式［1，3］，使用校核結(jié)構(gòu)物的初期、平均和末期保護電流的方法［4-6］。但該方法存在過度設(shè)計的風險［5］，若犧牲陽極過量則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)負荷增大和投資浪費等問題［7］。針對此問題，規(guī)范［5］推薦了適用于無涂層結(jié)構(gòu)物的DESIGNsLOPE設(shè)計法。該方法給出了單塊犧牲陽極尺寸設(shè)計的優(yōu)化依據(jù)，能夠避免犧牲陽極陰極保護過度設(shè)計的問題［5］，既節(jié)省了犧牲陽極材料又減輕結(jié)構(gòu)負載。

1 DESIGNsLOPE設(shè)計法相關(guān)理論

1.1 陰極保護下結(jié)構(gòu)物表面極化特性

在陰極保護的作用下，初期時海洋結(jié)構(gòu)物水下部分的表面會形成一定狀態(tài)的鈣鎂沉積層［8］。鈣鎂沉積層形成的機理是，結(jié)構(gòu)物表面由于受到陰極保護作用而發(fā)生吸氧或者析氫反應(yīng)，在一定的介質(zhì)pH值下會發(fā)生如式（1）～（3）所示的某些離子反應(yīng)。

這些反應(yīng)生成的OH-和離子會和海水中的鈣離子和鎂離子反應(yīng)生成和CaCO3沉淀，附著在結(jié)構(gòu)物表面，從而形成鈣鎂沉積層［9］。致密的鈣鎂沉積層能大大提高陰極保護的效果，這是因為它可以有效地阻礙溶解氧向金屬表面擴散和增大金屬的極化電阻，從而減小了所需的保護電流密度和擴大了陰極保護的范圍［9］。鈣鎂沉積層的陰極極化試驗表明，結(jié)構(gòu)物表面的鈣鎂沉積層越是致密越有效，結(jié)構(gòu)物越是容易被極化［10］。因此，結(jié)構(gòu)物表面形成鈣鎂沉積層后其表面極化特性也會發(fā)生很大的變化。圖1是管道內(nèi)壁在鋁合金犧牲陽極陰極保護作用下，形成鈣鎂沉積層前后的陰極極化曲線的形狀［11］。

因此，當海洋結(jié)構(gòu)物受到犧牲陽極陰極保護的作用時，在一定保護電位和介質(zhì)pH值條件下，表面會逐漸形成有利于陰極保護的鈣鎂沉積層，結(jié)構(gòu)物陰極極化也變得越來越容易。若將結(jié)構(gòu)物陰極極化特性變化反映到極化曲線圖上，可簡單地描述為：初期的極化曲線比較“平緩”，在表面形成鈣鎂沉積層后極化曲線變得“陡立”；然后在末期隨著犧牲陽極輸出電流能力下降和鈣鎂沉積層發(fā)生退化破損，其又稍微變得“平緩”些。結(jié)構(gòu)物極化特性整體趨勢變化如此，但在具體的海洋環(huán)境下會略有不同。

1.2 犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)等效電路

通常使用歐姆定律來描述犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的電路特征［12］，如式（4）所示。

式中：Фc為陰極自然電位，V；Фa為犧牲陽極閉路電位，V；Ra，total為所有犧牲陽極的接水電阻，Ω；Rc為陰極接水電阻，Ω；Ri為回路內(nèi)部電阻，Ω；Ac為陰極表面積，m2；ic為陰極表面保護電流密度，A；為陽極極化引起的壓降，V。

這里的陰極即受保護結(jié)構(gòu)物，其表面積一般很大，故陰極接水電阻可略去不計。犧牲陽極是通過焊接或者螺栓連接到結(jié)構(gòu)物上的，兩者之間電接觸非常充分，故回路內(nèi)部電阻也可略去不計［13］。犧牲陽極多是采用不易發(fā)生極化的鋁合金和鋅合金材料鑄造，故陽極極化引起的壓降也可略去不計。因此，式（4）可化簡為如式（5）所示形式。

將式（5）表示在保護電流密度和保護電位的并系圖中，如圖2中實線所示。

在陰極保護初期，系統(tǒng)極化電流較大；隨著鈣鎂沉積層逐漸形成至穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)極化電流逐漸減小至穩(wěn)定，按圖2中箭頭方向沿直線變化；當犧牲陽極逐漸消耗至其利用率時，犧牲陽極體積變小造成接水電阻會增大，反映到等效電路圖中為直線的斜率增大，逐漸從實線變化到虛線所示的狀態(tài)。

1.3 DESIGNsLOPE設(shè)計方法基本原理

以北海海域結(jié)構(gòu)物得到的的裸鋼極化曲線為例［14］，將其和多條表示等效電路狀態(tài)的直線繪制在圖3中。

結(jié)合1.1節(jié)和1.2節(jié)的內(nèi)容可以知道，每個極化曲線和等效電路的交點都表示一組結(jié)構(gòu)物的極化狀態(tài)和犧牲陽極系統(tǒng)情況的組合。交點在最高保護電位以下時，犧牲陽極陰極保護設(shè)計才能滿足要求，結(jié)構(gòu)物才能得到充分的極化。因此，在犧牲陽極材料不引起結(jié)構(gòu)物過保護的情況下，足夠小的等效電路直線斜率會保證結(jié)構(gòu)物得到更充分的極化，受到更好的保護。

若假定某一海域中結(jié)構(gòu)物具有特定的陰極極化特性和最高陰極保護電位，則其是否能夠受到良好的極化只是依賴于等效電路中直線的斜率。該斜率被定義為DESIGNsLOPE［5］，如式（6）所示。

式中：S為DESIGNsLOPE，Ω·m2；Ra為單塊犧牲陽極電阻，Ω；Na為犧牲陽極塊數(shù)，塊。

NACEsP 0176推薦了不同海域的DESIGNsLOPE值，推薦值能保證結(jié)構(gòu)物在初期得到良好的極化，如表1所示。

表1 NACEsP 0176推薦DESIGNsLOPE值

除此之外，犧牲陽極陰極保護還應(yīng)能夠在設(shè)計壽命期內(nèi)提供足夠的維護電流，即犧牲陽極材料應(yīng)能夠轉(zhuǎn)化為足夠的維護電流，如式（7）所示。

式中：ma為單塊犧牲陽極重量，kg；T為設(shè)計壽命，y；im為維護電流密度，A/m2；k為陽極材料消耗速率，kg/（A·y）。

將式（6）代入式（7），整理可得式（8）。

式（8）同時包含了結(jié)構(gòu)物初期的極化要求和鈣鎂沉積層形成后的維護要求。理論上存在無數(shù)的犧牲陽極滿足式（8）中的等號條件，此時所需的犧牲陽極材料最少。從工程角度而言并非如此，但這仍為單塊犧牲陽極設(shè)計提供了方向，即調(diào)整單塊犧牲陽極形狀尺寸使等號盡量接近成立，從而減少犧牲陽極材料，優(yōu)化設(shè)計方案。

若犧牲陽極尺寸未使等式成立，則需校核單塊犧牲陽極實際使用壽命。單塊犧牲陽極輸出的電流為，再結(jié)合DESIGNsLOPE的定義，可得單塊犧牲陽極的使用壽命計算式，如式（9）所示。

式中：Ta為單塊犧牲陽極實際使用壽命，年。

確定單塊犧牲陽極形狀尺寸和校核單塊犧牲陽極的實際使用壽命后，可根據(jù)DESIGNsLOPE的定義計算單塊犧牲陽極能夠保護的面積，如式（10）所示。

式中：A1為單塊犧牲陽極能保護的面積，m2。

然后，根據(jù)結(jié)構(gòu)物總的受保護面積可以得到所需的犧牲陽極數(shù)量，如式（11）所示。

最后，還需要驗證在末期犧牲陽極消耗至其利用率時，是否還能提供足夠的極化電流，如式（12）所示。

式中：Sf為末期DESIGNsLOPE，Ω·m2；Ra，f為末期單塊犧牲陽極接水電阻，Ω；ΔE為驅(qū)動電壓，一般取為0.25 V；if為末期保護電流密度，A/m2。

2 DESIGNsLOPE設(shè)計法的應(yīng)用

結(jié)合DESIGNsLOPE設(shè)計法的基本理論，現(xiàn)以某全浸區(qū)無涂層的某平臺的犧牲陽極陰極保護設(shè)計為例，比較采用DESIGNsLOPE設(shè)計法和DNV RP B401推薦方法得到的結(jié)果。該平臺的基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

初選犧牲陽極的尺寸為2440mm×（229mm× 248mm）×248mm，凈質(zhì)量為329 kg。分別采用DNV RP B401推薦方法和DESIGNsLOPE法進行犧牲陽極陰極保護設(shè)計。前者沒有針對犧牲陽極尺寸優(yōu)化的具體指導(dǎo)，后者則提供了根據(jù)式（7）和式（8）進行優(yōu)化的方向。

DNV RP B401推薦方法的計算過程較常見，不再贅述。按照DESIGNsLOPE法，根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)和初選犧牲陽極參數(shù)，式（8）的左側(cè)值為：

式（8）的右側(cè)值為：

兩者并不相等且差值較大。根據(jù)式（9）校核單塊犧牲陽極壽命為：

計算結(jié)果表明，初選的犧牲陽極尺寸過大，按當前消耗條件單塊犧牲陽極實際壽命遠大于設(shè)計壽命，這會造成犧牲陽極材料浪費，所以應(yīng)對其尺寸進行優(yōu)化。優(yōu)化后的犧牲陽極尺寸為2440mm×（184mm×217mm×168mm，凈質(zhì)量為209 kg，式（8）的左側(cè)值為：

式（8）的右側(cè)值保持不變，其兩側(cè)數(shù)值接近。根據(jù)式（9）校核單塊犧牲陽極壽命為：

單塊犧牲陽極實際使用壽命略大于設(shè)計壽命，滿足設(shè)計要。

表3給出分別采用DNV RP B401推薦的方法和DESIGNsLOPE設(shè)計法的設(shè)計結(jié)果。相比前者，DESIGNsLOPE設(shè)計法得到的方案，犧牲陽極數(shù)量只增加了7.4%，但犧牲陽極材料卻減少約31.9%。

表3 犧牲陽極陰極保護設(shè)計結(jié)果

通過比較上述兩種設(shè)計方案可知，DESIGNsLOPE設(shè)計法在確定犧牲陽極幾何尺寸時提供了優(yōu)化的指導(dǎo)。選擇合適的犧牲陽極尺寸，能夠提高犧牲陽極材料的利用率和減輕該平臺的負載，從而提高設(shè)計方案的經(jīng)濟性。

3 結(jié) 論

海洋工程領(lǐng)域常用的犧牲陽極陰極保護設(shè)計方法存在過度設(shè)計的風險，文章介紹了針對無涂層結(jié)構(gòu)物的DESIGNsLOPE犧牲陽極陰極保護設(shè)計方法。結(jié)合結(jié)構(gòu)物表面極化狀態(tài)變化特點和陰極保護系統(tǒng)等效電路，說明了DESIGNsLOPE設(shè)計法的理論基礎(chǔ)。該方法能夠較好地指導(dǎo)犧牲陽極形狀尺寸設(shè)計從而優(yōu)化整體設(shè)計方案，避免過度設(shè)計，既節(jié)省了犧牲陽極材料又減輕了結(jié)構(gòu)負載，提高了陰極保護方案的經(jīng)濟性。

［ 1 ］ 李成杰， 杜敏. 深海鋼鐵材料的陰極保護技術(shù)研究及發(fā)展［J］. 中國腐蝕與防腐學(xué)報， 2013（1）： 10-16.

［ 2 ］ 夏定健. 近海固定平臺陰極保護陽極系統(tǒng)設(shè)計原則及應(yīng)用［C］// 第三屆中國國際腐蝕控制大會， 河南長恒，2005： 118-126.

［ 3 ］ 孫吉星， 王慶璋， 李永豐. 海洋工程陰極保護系統(tǒng)設(shè)計影響因素研究［C］//第27次全國涂料工業(yè)信息年會，寧波， 2010： 55-58.

［ 4 ］ 施以航. 海洋工程防腐系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究［D］.大連： 大連理工大學(xué)， 2013： 72-74.

［ 5 ］ NACE. Corrosion Control of submerged Areas of Permanently Installed Offshore structures Associated with Petroleum Production［S］. 2007.

［ 6 ］ DNV. Cathodic Protection Design［S］. 2007.

［ 7 ］ 蘭志剛. 海洋石油平臺導(dǎo)管架陰極保護數(shù)值仿真研究［D］. 青島： 中國科學(xué)院海洋研究所， 2012： 1-2.

［ 8 ］ 溫國謀， 鄭輔養(yǎng). 海水中陰極保護時鈣質(zhì)沉積層的形成及其應(yīng)用［J］. 腐蝕與防護， 1995（1）： 50-54.

［ 9 ］ 曹振宇. 模擬深海環(huán)境陰極保護初期鈣鎂沉積層的研究［D］. 青島： 中國海洋大學(xué)， 2010： 9-10.

［10］ 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， 1992（1）： 60-68.

［11］ 劉曼， 殷正安， 戰(zhàn)廣深. 流動場管內(nèi)陰極保護的電位分布計算［J］. 大連理工大學(xué)學(xué)報， 1998（5）： 599-602.

［12］ FISCHER K P， Field Testing of Deep Water Cathodic Protection on the Norwegian Continental shelf［J］.materials Performance， 1987（1）： 49-56.

［13］ 胡士信.陰極保護工程手冊［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 1999.

［14］ GARTLAND P，sTROMMEN R， BARDAL E. Current Density Requirements for Cathodic Protection of steels tru ctures in the Nor thsea［J］.materials Performance，1983（6）： 40-48.

DESIGNsLOPE design method of sacrificial anode cathodic protection

SHANGshi-chao PAN Fang-hao LI Zhi-yu
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

since the sacrificial anode cathodic protection method that commonly used in marine engineering may be over-designed, this paper introduces the DESIGNsLOPE design method of the sacrificial anode cathodic protection for the structure without coating. Firstly, it briefly introduces the formation of the calcareous deposits on the structure surface under the cathodic protection, and analyzes the variation of the surface polarization characteristics of the structure during the whole design lifetime. Combined with the equivalent circuit of the sacrificial anode cathodic protection system, it introduces the conception of DESIGNsLOPE and clarifies the basic theory of DESIGNsLOPE. Finally, the sacrificial anode cathodic protection design for a platform is accomplished by using the DESIGNsLOPE disign method. The DESIGNsLOPE design method can avoid the over-design of the sacrificial anode cathodic protection, thus improving the economy of the designs cheme.

cathodic protection;sacrificial anode; DESIGNsLOPE; polarizationstate; equivalent circuit

U672.7

A

1001-9855（2017）05-0092-05

2017-03-02；

2017-05-17

尚世超（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計與研究。潘方豪（1978-），男，研究員。研究方向：船舶與海洋工程舾裝設(shè)計與研究。李志雨（1988-），男，助理工程師。研究方向：船舶與海洋工程總體設(shè)計與研究。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.092