王 輝 王廷勇 許 實(shí) 王海濤

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

海洋環(huán)境十分嚴(yán)酷，海水是自然界最大的天然電解質(zhì)，海洋平臺長期處于海洋腐蝕環(huán)境中，腐蝕問題十分突出[1]。陰極保護(hù)是海洋平臺等鋼結(jié)構(gòu)物腐蝕控制的有效措施之一。根據(jù)提供電流方式的不同，陰極保護(hù)分為犧牲陽極法和外加電流法[2]。犧牲陽極保護(hù)技術(shù)規(guī)范完善、建造時(shí)一次性安裝、后期維護(hù)少；但也存在驅(qū)動電壓有限，單只陽極保護(hù)范圍小，設(shè)計(jì)壽命有限等缺點(diǎn)。外加電流法雖然一次性投入較大，全壽命期需要維護(hù)與保養(yǎng)，但海上安裝相對容易，輸出電流大、保護(hù)范圍廣，不會因?yàn)楸Ｗo(hù)面積增加而增加對平臺的負(fù)重，而且使用中不會有重金屬離子產(chǎn)生，是一種環(huán)境友好的陰極保護(hù)技術(shù)[3]。

目前絕大多數(shù)海洋平臺的都是基于25年的服役壽命設(shè)計(jì)的[4]，當(dāng)探明儲量增加，使得海洋平臺的使用壽命需要延長，或原有的陰極保護(hù)失效時(shí)，就需要對平臺的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行延壽修復(fù)[5]。對于較深水域的海洋平臺，如果采用犧牲陽極修復(fù)技術(shù)，陽極的安裝施工費(fèi)用將遠(yuǎn)大于陽極本身的成本，因此外加電流陰極保護(hù)技術(shù)是主流的海洋平臺陰極保護(hù)修復(fù)延壽技術(shù)。

目前已應(yīng)用的平臺延壽外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要有拉伸式陽極系統(tǒng)和遠(yuǎn)地式陽極系統(tǒng)。拉伸式陽極是由一個(gè)或若干個(gè)輔助陽極固定在一條繩索上，該繩索可提供足夠的支撐力，繩索下端栓上負(fù)載用以固定，并將整個(gè)拉伸式陽極都固定在外套管上。遠(yuǎn)地式陽極是將陽極置于海底泥土區(qū)或者底座上，根據(jù)被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的尺寸，陽極和被保護(hù)體的距離在幾米到300m之間[6,7]。

海洋平臺外加電流陰極保護(hù)工程具有投資高、施工難度大，工程經(jīng)驗(yàn)缺乏等特點(diǎn)，通常會采用數(shù)值模擬法或縮比模型法對外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[8,9]?？s比模型法是基于縮比理論，將海洋工程裝備按一定比例制成縮比模型，同時(shí)將介質(zhì)的電導(dǎo)率按比例縮小，測量評價(jià)不同方案的保護(hù)效果，從而確定最佳的陰極保護(hù)方案的試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。使用縮比模型法可以對形狀復(fù)雜的平臺進(jìn)行復(fù)制，同時(shí)不需要使用所用材料的極化曲線等電化學(xué)數(shù)據(jù)，可以在較少投入的情況下對平臺陰極保護(hù)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化[10,11]。

本文以南海某海洋平臺為原型，基于縮比模型理論，研究遠(yuǎn)地式和拉伸式輔助陽極數(shù)量、發(fā)生電流及與平臺距離對陰極保護(hù)效果的影響，比較兩種外加電流系統(tǒng)的保護(hù)效果，為平臺外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)施主要由海洋平臺縮比模型、遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)、拉伸外加電流系統(tǒng)、電位分布監(jiān)測系統(tǒng)、試驗(yàn)水池等組成。

1.1 平臺縮比模型

縮比模型由南海某海洋平臺按1:80的比例縮比而成，模型模擬整個(gè)導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)，但只對水下部分進(jìn)行外加電流優(yōu)化設(shè)計(jì)?？s比后模型底部尺寸49.8×47.3cm，上部17.5×15cm，高1.74m，其中水下部分1.65m，水上部分0.09m；被保護(hù)面積約為3.6m2，用Q345鋼焊接而成，如圖1所示。

1.2 遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)

遠(yuǎn)地式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由恒流源和遠(yuǎn)地式輔助陽極體組成。恒流源由朝陽電源生產(chǎn)，80V/16A。輔助陽極體包括底座、氧化物陽極和連接導(dǎo)線，底座由PVC加工制成，尺寸10×10×10cm；上方固定有2塊3×1cm的鈦基金屬氧化物陽極，陽極與銅導(dǎo)線連接，連接處用環(huán)氧樹脂密封，如圖2所示。

1.3 拉伸式外加電流系統(tǒng)

拉伸式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)由恒流源和拉伸式輔助陽極體組成。恒流源由朝陽電源生產(chǎn)，80V/16A。拉伸式輔助陽極由鈦棒和氧化物陽極棒組成。鈦棒直徑φ5mm，表面用橡膠自粘帶密封，頂端固定于縮比模型的頂部，底部固定于水池底部的卡槽中；從鈦棒的上部到底部，每隔35cm安裝一個(gè)φ10×30mm氧化物陽極棒，每個(gè)拉伸式輔助陽極包含4個(gè)陽極棒，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4 電位監(jiān)檢測系統(tǒng)

電位監(jiān)檢測系統(tǒng)由參比電極和數(shù)據(jù)采集裝置組成。參比電極采用上海雷磁生產(chǎn)的固態(tài)Ag/AgCl電極，相對于氫標(biāo)電極的電位約為+0.2224V，分別固定于平臺縮比模型的4條樁腿的上、中、下部位，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集裝置采用Campbell Scientific生產(chǎn)的CR1000X數(shù)據(jù)采集器。

1.5 試驗(yàn)水池

實(shí)驗(yàn)水池尺寸3×2.4×2m3。試驗(yàn)海水采用青島附近海域天然海水，用蒸餾水按1:80稀釋，稀釋后實(shí)測電導(dǎo)率615u S/cm，pH=7.45。

2 結(jié)果與討論

2.1 遠(yuǎn)地式外加電流陰極保護(hù)

2.1.1 保護(hù)電流大小對平臺保護(hù)效果的影響

將單座輔助陽極放置于平臺一側(cè)，與縮比模型底部水平距離115m，如圖5所示。輔助陽極和恒流源的正極相連，縮比模型與恒流源的負(fù)極相連。

通過輔助陽極對平臺施加389mA的電流，即保護(hù)電流密度約為108mA/m2。平臺不同位置的保護(hù)電位變化如圖6所示。

從圖6可見，施加外加電流后，平臺各位置的電位均迅速負(fù)移，14h后基本穩(wěn)定，所有位置測得的電位均小于-900mV（v.s. Ag/AgCl電極，下同），但不同位置的電位差別較大。平臺靠近陽極體一側(cè)的保護(hù)電位均明顯負(fù)于另外一側(cè)，說明屏蔽效應(yīng)對平臺保護(hù)電位影響顯著。距離遠(yuǎn)地式陽極最近的3#參比電極測得的電位達(dá)-1107mV，位于距輔助陽極另一側(cè)的上部的7#參比電極測得的電位為-907mV，相差約200mV。

待保護(hù)電位穩(wěn)定后，將保護(hù)電流依次降至292 mA和194mA，即平均被保護(hù)電流密度81mA/m2和54 mA/m2，平臺被保護(hù)電位變化如圖6和圖7所示。

保護(hù)電流密度降至81mA/m2后，不同位置的保護(hù)電位在-1050～-890mV之間。3#參比電極測得的保護(hù)電位達(dá)到-1050mV；12#參比電極測得的保護(hù)電位約為-890mV，相差約160mV。說明隨著保護(hù)電流降低，不同位置的電位差有所縮小。

保護(hù)電流密度降至54mA/m2時(shí)，穩(wěn)定后的保護(hù)電位在-840～-1015mV之間，依然是3#參比電極測得的電位約為-1015mV，9#和12#測量點(diǎn)的電位最正，均在-840mV左右。1～6#測量點(diǎn)保護(hù)電位從上到下逐漸變負(fù)，3#測量點(diǎn)電位最負(fù)，其他位置的保護(hù)電位差別較小。7～12#測量點(diǎn)中，位于平臺底部、距離輔助陽極相對較近的9#和12#測量點(diǎn)保護(hù)電位-840mV，位于頂部的7#和12#測量點(diǎn)雖然距離較遠(yuǎn)，但保護(hù)電位達(dá)到-900mV，這是因?yàn)槠脚_底部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對電場的屏蔽效應(yīng)更強(qiáng)。

2.1.2 輔助陽極和平臺距離對保護(hù)效果的影響

將發(fā)生電流設(shè)定在292mA，即保護(hù)電流密度81 mA/m2，按照115cm、100cm、85cm、70cm依次調(diào)整陽極體與被保護(hù)體的距離，記錄平臺不同測量點(diǎn)的保護(hù)電位，如圖8所示。

從圖8可以看出，當(dāng)平臺模型與陽極體的距離由115cm縮小到70cm時(shí)，平臺不同位置的保護(hù)電位均勻性降低。值得注意的是，當(dāng)輔助陽極靠近時(shí)，距離較遠(yuǎn)、受屏蔽作用影響較大的7～12#測量點(diǎn)的保護(hù)電位但變化不大；1～6#測量點(diǎn)保護(hù)電位明顯負(fù)移，特別是距離輔助陽極最近的3#測量點(diǎn)，距離115cm時(shí)的電位約為-1050mV，但70cm時(shí)的負(fù)移至-1100mV左右。

2.1.3 輔助陽極數(shù)量對保護(hù)效果的影響

將陽極體增加為兩支，分布位于平臺兩側(cè)距離85cm，單只陽極體輸出電流145mA，如圖9所示。

圖10是發(fā)生電流、輔助陽極和平臺距離均相同情況下，采用單輔助陽極和采用雙輔助陽極的保護(hù)電位分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，雙陽極體時(shí)平臺保護(hù)電位的均勻性顯著提高，穩(wěn)定后平臺的保護(hù)電位在-975～-1050mV之間，最大電位差僅有約75mV。而單陽極體時(shí)，穩(wěn)定后平臺的保護(hù)電位在-890～-1090mV之間，最大電位差達(dá)到200mV。說明采用雙輔助陽極體保護(hù)時(shí)，平臺的電位分布均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于采用單輔助陽極體。

2.2 拉伸式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

2.2.1 單拉伸式陽極保護(hù)效果研究

采用單側(cè)拉伸式陽極對平臺模型進(jìn)行陰極保護(hù)，保護(hù)電流390mA，電流密度108mA/cm2。陽極底端與縮比模型的距離為60cm，平臺的保護(hù)效果如圖11所示。

從圖11可以看出，單拉伸式陽極保護(hù)時(shí)平臺各部位的電位相差較大，保護(hù)效果較差?？拷枠O一側(cè)模型的保護(hù)電位達(dá)-1076mV，而模型另一側(cè)的保護(hù)電位僅達(dá)到-830mV，電位差達(dá)246mV。由于氧化物陽極棒自上而下分布，發(fā)生電流分布較均勻，因此靠近陽極一側(cè)縮比模型的保護(hù)電位分布較均勻，在-1044～-1076mV之間；另一側(cè)電位差較大，保護(hù)電位在-830～-940mV之間。

2.2.2 雙側(cè)斜拉式陽極保護(hù)效果研究

由于單只拉伸式陽極對平臺的保護(hù)效果較差，在保護(hù)電流密度達(dá)108mA/cm2仍無法使縮比模型處于有效保護(hù)狀態(tài)，因此調(diào)整為采用雙側(cè)斜拉式陽極對平臺進(jìn)行陰極保護(hù)。斜拉式陽極下端與縮比模型的距離為15cm，分別調(diào)節(jié)電流為389mA、292mA、194mA、98mA，對應(yīng)的保護(hù)電流密度分別為108mA/cm2，81mA/cm2，54mA/cm2，27mA/cm2。平臺縮比模型的保護(hù)電位分布如圖12所示。

采用雙側(cè)拉伸陽極施加外加電流后，保護(hù)電位的均勻性顯著提高，當(dāng)保護(hù)電流密度大于54mA/cm2時(shí)，所有部位的保護(hù)電位均負(fù)于-900mV，且電位差均不超過100mV。隨著保護(hù)電流的降低，平臺的保護(hù)電位正移，當(dāng)發(fā)生電流降至98mA，即保護(hù)電流密度27mA/cm2時(shí)，平臺部分區(qū)域的保護(hù)電位仍負(fù)于-800mV，但不同部位的電位差擴(kuò)大到135mV。

2.2.3 雙側(cè)拉伸式陽極位置對保護(hù)電位的影響

采用雙側(cè)拉伸式陽極對平臺進(jìn)行陰極保護(hù)，施加電流380mA，即保護(hù)電流密度為108mA/cm2。當(dāng)拉伸式陽極上端固定于平臺頂部，下端與縮比模型的距離分別為60cm，45cm，30cm，15cm，平臺的保護(hù)電位如13所示。

由圖13可以看出，所有位置測得的電位均小于-950mV，不同位置保護(hù)電位差在100mV以內(nèi)。與遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)相比，拉伸式陽極和縮比模型間的距離對平臺保護(hù)電位分布的影響沒有顯著的規(guī)律性。這是因?yàn)橛捎谥亓ψ饔?，拉伸式陽極存在自然彎曲，在調(diào)整下端與縮比模型距離時(shí)，不同位置的氧化物陽極與平臺距離變化不均勻。

3 結(jié)語

（1）當(dāng)采用遠(yuǎn)地式外加電流保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，若采用單輔助陽極體，保護(hù)電流密度達(dá)54mA/m2可以使平臺保護(hù)電位不正于-800mV，但保護(hù)電位不均勻。陽極距離越遠(yuǎn)，電位分布越均勻；采用雙輔助陽極體保護(hù)時(shí)，平臺的電位分布更加均勻，不同區(qū)域的電位差更小，保護(hù)效果明顯優(yōu)于單輔助陽極；

（2）在無屏蔽作用情況下，縮比模型不同測量點(diǎn)的保護(hù)電位取決于和陽極體的距離，距離越近的區(qū)域保護(hù)電位越負(fù)；當(dāng)存在屏蔽作用時(shí)，屏蔽作用對保護(hù)電位的影響比距離更加顯著；

（3）當(dāng)采用拉伸式外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，若采用單陽極，電流密度需達(dá)到108mA/cm2才能使平臺保護(hù)電位不正于-800mV，且保護(hù)電位不均勻。采用雙陽極時(shí)，保護(hù)均勻性顯著提升，保護(hù)電流密度只需27mA/cm2即可使平臺處于有效保護(hù)中；

（4）遠(yuǎn)地式和拉伸式外加電流系統(tǒng)均可以實(shí)現(xiàn)對海洋平臺的有效保護(hù)。由于拉伸式外加電流系統(tǒng)輔助陽極布置更均勻，若通過合理的布置避免屏蔽效應(yīng)，拉伸陽極系統(tǒng)需要的發(fā)生電流小于遠(yuǎn)地式外加電流系統(tǒng)。