賈新杰，王占華，史澤波

（1.中建七局安裝工程有限公司，鄭州450045.2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州450045）

隨著我國(guó)水利工程建設(shè)的不斷發(fā)展，修建了大量水閘、水庫(kù)、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［1］，埋件也是水工金屬結(jié)構(gòu)的重要組成部分。由于它們長(zhǎng)期在水中工作或在干濕交替的環(huán)境中運(yùn)行，受各種水質(zhì)及微生物的侵蝕，同時(shí)會(huì)受到水流、泥沙及一些漂浮物的摩擦，普遍會(huì)發(fā)生不同程度的腐蝕。根據(jù)SL105－2007《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(zhǎng)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(gè)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［2-4］。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(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)使用壽命行之有效的方法。本工作將陰極保護(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(shí)可行的長(zhǎng)效保護(hù)方式。

1 試驗(yàn)

1.1 埋件

試驗(yàn)用埋件委托三門峽水工機(jī)械有限公司制作，埋件尺寸與某工程設(shè)計(jì)圖紙相似，6 000 mm×200 mm。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8 m×2 m的混凝土試驗(yàn)水池內(nèi)。埋件與試驗(yàn)水池地面采用木板進(jìn)行隔離。在埋件上每隔0.5 m焊接一個(gè)金屬構(gòu)件，作為試驗(yàn)過(guò)程中的電位測(cè)量點(diǎn)。

1.2 犧牲陽(yáng)極材料

試驗(yàn)用犧牲陽(yáng)極包括鎂合金陽(yáng)極（鎂陽(yáng)極）、鋅合金陽(yáng)極（鋅陽(yáng)極）、鋁合金陽(yáng)極（鋁陽(yáng)極）。本試驗(yàn)用陽(yáng)極均為塊狀陽(yáng)極，為工程上經(jīng)常使用的犧牲陽(yáng)極。試驗(yàn)用陽(yáng)極的種類及其電化學(xué)性能如表1所示。

表1 犧牲陽(yáng)極的種類及其電化學(xué)性能Tab.1 Types and electrochemical properties of sacrificial anodes

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)用恒電位儀為北京中腐防蝕工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的PS-268A型恒電位儀。試驗(yàn)用參比電極為飽和硫酸銅參比電極（CSE），文中所有電位均相對(duì)于CSE，試驗(yàn)前用飽和甘汞電極進(jìn)行了標(biāo)定。試驗(yàn)過(guò)程中使用ProDSS多參數(shù)水質(zhì)分析儀對(duì)水質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，儀器使用前采用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 犧牲陽(yáng)極的開路電位

由圖1可見(jiàn)：在淡水環(huán)境中，犧牲陽(yáng)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(yáng)極開路電位隨之下降，說(shuō)明電導(dǎo)率是影響犧牲陽(yáng)極開路電位的重要因素。由于鎂的化學(xué)活潑性，鎂陽(yáng)極的開路電位比鋅陽(yáng)極、鋁陽(yáng)極的更負(fù)。在淡水中，鋁陽(yáng)極的開始電位比鋅陽(yáng)極的正，這主要是由于鋁陽(yáng)極表面形成的鋁氧化膜比較致密，不容易從陽(yáng)極表面脫落的緣故。

2.2 溶液電導(dǎo)率對(duì)保護(hù)距離的影響

由圖2可見(jiàn)：隨著電導(dǎo)率的降低，三種犧牲陽(yáng)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(yáng)極的保護(hù)距離均很短，按照保護(hù)電位達(dá)到－0.85 V的判據(jù)［5-8］，鋁陽(yáng)極和鋅陽(yáng)極在300～2 000μS／cm溶液中的保護(hù)距離均小于100 cm，無(wú)法對(duì)此環(huán)境中的埋件產(chǎn)生保護(hù)作用?；局挥墟V合金在溶液電導(dǎo)率為2 000μS／cm時(shí)，對(duì)金屬埋件有100 cm的保護(hù)距離，且在同種溶液中，鎂陽(yáng)極對(duì)埋件的保護(hù)距離比鋅陽(yáng)極、鋁陽(yáng)極的稍大。

圖1 幾種犧牲陽(yáng)極在不同電導(dǎo)率環(huán)境中的開路電位Fig.1 Open circuit potentials of several sacrificial anodes in different conductivity environments

2.3 恒電位極化對(duì)保護(hù)距離的影響

由圖3可見(jiàn)：電導(dǎo)率是影響鎂陽(yáng)極保護(hù)距離的重要因素。極化電位－860 mV條件下，溶液電導(dǎo)率不超過(guò)800μS／cm，達(dá)到保護(hù)電位－0.85 V的距離小于50 cm；當(dāng)溶液電導(dǎo)率升高到2 000μS／cm時(shí)，有效保護(hù)距離為150 cm。由圖3還可見(jiàn)：極化電位越負(fù)，保護(hù)距離越大。在2 000μS／cm溶液中，極化電位在－860 mV時(shí)，保護(hù)距離約150 cm，極化電位為－900 mV時(shí)，保護(hù)距離約為250 cm，極化電位為－1 000 mV時(shí)，保護(hù)距離大于500 cm。因此，提高極化電位是增加保護(hù)距離的一種重要手段。

2.4 討論

圖2 不同電導(dǎo)率溶液中，幾種陽(yáng)極對(duì)埋件產(chǎn)生的保護(hù)電位與保護(hù)距離的關(guān)系Fig.2 Relation between protection potential and protection distance of magnesium anode（a）zinc anode（b）and alouminum anode（c）on buried parts in different conductivity solutions

圖3 不同電導(dǎo)率溶液中，極化電位對(duì)鎂合金陽(yáng)極的保護(hù)電位和保護(hù)距離的影響Fig.3 Effects of polarization potential on protection potential and protection distance of magnesium alloy anode in different conductivity solutions

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－0.85 V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［9-10］。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(zhǎng)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(kù)長(zhǎng)年電導(dǎo)率為800～1 400μS／cm［11］，長(zhǎng)江流域水質(zhì)的電導(dǎo)率更低，為200～400μS／cm［12］。試驗(yàn)結(jié)果表明，電導(dǎo)率低于2 000μS／cm時(shí)，犧牲陽(yáng)極的保護(hù)距離很短，使用時(shí)需要消耗大量的陽(yáng)極材料，在設(shè)計(jì)施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的障礙，因此，犧牲陽(yáng)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(shí)，海淡水電導(dǎo)率為5 000～8 000μS／cm，海水電導(dǎo)率為30 000～40 000μS／cm，隨著溶液電導(dǎo)率的增大，犧牲陽(yáng)極的保護(hù)距離也隨之增大，這極大地提高了犧牲陽(yáng)極的適用性。因此，在海淡水及海水環(huán)境中，犧牲陽(yáng)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－850 mV的保護(hù)距離接近500 cm，且可以通過(guò)提高極化電位來(lái)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(zhǎng)效保護(hù)方法保護(hù)埋件。

3 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(shí)，極化電位越負(fù)，陰極保護(hù)距離越大；

（3）犧牲陽(yáng)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)。