許佳寧

(中國(guó)船級(jí)社青島分社，山東 青島 266034)

0 前 言

海洋交通運(yùn)輸以及海洋資源開(kāi)發(fā)離不開(kāi)各類(lèi)船舶和海洋工程裝備和設(shè)施,其長(zhǎng)期在海洋環(huán)境中運(yùn)行和服役,不可避免會(huì)受到嚴(yán)酷海洋環(huán)境的侵蝕作用,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性受到破壞,這不僅增大了維護(hù)維修的工作量,導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失,而且還嚴(yán)重影響船舶及海洋工程的使用壽命和安全可靠性,甚至?xí)l(fā)事故,造成災(zāi)難性后果[1,2]。陰極保護(hù)和防腐涂層相結(jié)合是防止船舶及海洋工程海水腐蝕的有效方法,得到了廣泛的應(yīng)用[3]。陰極保護(hù)是通過(guò)施加陰極電流,使被保護(hù)的金屬表面發(fā)生陰極極化,從而使金屬腐蝕得到有效抑制。根據(jù)提供保護(hù)電流的來(lái)源不同,可以分為外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)2種方法,前者是利用外部電源經(jīng)整流后來(lái)提供直流保護(hù)電流,后者則是采用性能更活潑的金屬或合金(犧牲陽(yáng)極)與被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電連接,通過(guò)活潑金屬或合金的溶解消耗來(lái)提供保護(hù)所需的電流。外加電流陰極保護(hù)具有驅(qū)動(dòng)電壓高、輸出電流大、可以自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)物的保護(hù)電位等特點(diǎn),主要用于大型船舶船體的保護(hù);而犧牲陽(yáng)極保護(hù)方法具有電位分布均勻、安裝簡(jiǎn)便、不用維護(hù)、可靠性高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于船舶船體、海水壓載艙、海洋平臺(tái)、海底管線、水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)等船舶和海洋工程的陰極保護(hù)[4,5]。

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的效果主要取決于陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、犧牲陽(yáng)極材料以及安裝施工質(zhì)量。犧牲陽(yáng)極材料的性能和質(zhì)量對(duì)保證船舶及海洋工程的防腐效果具有十分重要的作用。相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是質(zhì)量控制的基礎(chǔ)和質(zhì)量檢驗(yàn)的依據(jù),本文對(duì)船舶與海洋工程涉及的犧牲陽(yáng)極標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹,對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)方法和要求進(jìn)行了對(duì)比分析,并就存在的問(wèn)題提出了建議。

1 國(guó)內(nèi)外船舶與海洋工程用犧牲陽(yáng)極檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)概況

1.1 國(guó)內(nèi)主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)涉及船舶與海洋工程犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)已基本形成體系,大體可分為2類(lèi),一類(lèi)為犧牲陽(yáng)極材料與試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn);另一類(lèi)為犧牲陽(yáng)極的工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。本文主要從檢驗(yàn)和質(zhì)量控制角度出發(fā),對(duì)船舶與海洋工程用犧牲陽(yáng)極材料和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析,相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如表1所列[6-9]。

表1 船舶與海洋工程用犧牲陽(yáng)極材料和試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Table 1 National standards for sacrificial anodes materials and test methods used for marine ships and offshore structures

GB/T 4950-2021為新版的鋅合金犧牲陽(yáng)極國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)以GB/T 4950-2002 “鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極”標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),整合了GB/T 4951-2007 "鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極化學(xué)分析方法”的相關(guān)內(nèi)容,并對(duì)部分技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了修訂。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋅合金犧牲陽(yáng)極的分類(lèi)、型號(hào)及規(guī)格、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則以及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存。

GB/T 4948-2002為鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極的規(guī)格型號(hào)、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則和標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸與貯存。GB/T 4949-2018為鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極化學(xué)分析方法標(biāo)準(zhǔn),屬于與GB/T 4948配套的標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極中合金元素和雜質(zhì)元素含量的分析方法,適用于鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極中鋅、銦、鎘、錫、鎂、硅、鈦、鐵、銅和鉛含量的測(cè)定。

GB/T 17848-1999為犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了測(cè)試犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能的試驗(yàn)裝置、試樣制備、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)結(jié)果的表示方法。所涉及的電化學(xué)性能包括開(kāi)路電位、工作電位、實(shí)際電容量、電流效率以及表面溶解狀況。犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能測(cè)試分為常規(guī)試驗(yàn)法和加速試驗(yàn)法,前者采用恒定電流密度(1 mA/cm2)試驗(yàn),周期為10 d,用于常規(guī)測(cè)量電化學(xué)性能;后者采用變電流密度試驗(yàn),周期為4 d,各天的電流密度分別為1.5、0.4、4.0和1.5 mA/cm2,適用于犧牲陽(yáng)極產(chǎn)品質(zhì)量的控制檢驗(yàn)。

對(duì)于船舶和海洋工程來(lái)說(shuō),鋅合金和鋁合金犧牲陽(yáng)極是最主要的犧牲陽(yáng)極材料,尤其是鋁合金犧牲陽(yáng)極具有比鋅合金犧牲陽(yáng)極更高的實(shí)際電容量、更優(yōu)的性?xún)r(jià)比和更小的密度,在船舶和海洋工程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[10]。近年來(lái),針對(duì)船舶和海洋工程的一些特殊工況環(huán)境,研發(fā)了一些新型犧牲陽(yáng)極材料。例如,針對(duì)船舶和海洋平臺(tái)海水管路系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了鐵合金犧牲陽(yáng)極,以保護(hù)銅及銅合金、不銹鋼等材料構(gòu)成的管路和設(shè)備[11]。針對(duì)高強(qiáng)鋼和其他高強(qiáng)合金材料,開(kāi)發(fā)了低驅(qū)動(dòng)電位犧牲陽(yáng)極,在提供有效陰極保護(hù)的同時(shí),可降低高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料氫致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[12]。針對(duì)深海裝備的發(fā)展,還研發(fā)出了適于深海環(huán)境(高壓、低溫、低氧)的鋁合金犧牲陽(yáng)極[13]。這些新型犧牲陽(yáng)極材料目前尚沒(méi)有形成相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在一定程度上制約了新型犧牲陽(yáng)極材料在船舶和海洋工程中的推廣應(yīng)用。

在船舶和海洋工程犧牲陽(yáng)極應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)方面,主要有GB 8841-88 “海船犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和安裝”、GB/T 16166-2013 “濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)”、GB/T 31316-2014 “海水陰極保護(hù)總則”、GB/T 39155-2020 “金屬和合金的腐蝕 海港設(shè)施的陰極保護(hù)”、GB/T 35988-2018“石油天然氣工業(yè)海底管道陰極保護(hù)” 等標(biāo)準(zhǔn)[14-18]。這些標(biāo)準(zhǔn)涉及犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(允許的保護(hù)電位范圍)、保護(hù)參數(shù)、設(shè)計(jì)方法、布置原則、安裝要求和保護(hù)效果的檢測(cè)。在實(shí)際工程中,要獲得良好的保護(hù)效果,不僅犧牲陽(yáng)極材料(產(chǎn)品)需要滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求,而且還需要根據(jù)海洋裝備和結(jié)構(gòu)物的具體結(jié)構(gòu)以及使用工況進(jìn)行合理的陰極保護(hù)設(shè)計(jì),可基于過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)值模擬仿真計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)犧牲陽(yáng)極的最優(yōu)化布置[19, 20]。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,可通過(guò)監(jiān)(檢)測(cè)結(jié)構(gòu)物的電位及其分布以及犧牲陽(yáng)極的工作電位、發(fā)生電流和消耗狀況來(lái)評(píng)判陰極保護(hù)的效果以及犧牲陽(yáng)極的工作狀態(tài)[13, 21]。

1.2 國(guó)外主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外涉及船舶與海洋工程用犧牲陽(yáng)極材料和試驗(yàn)方法的主要標(biāo)準(zhǔn)如表2所列,包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) (ISO)、歐洲標(biāo)準(zhǔn) (EN)、美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) (ASTM)、國(guó)際腐蝕工程師協(xié)會(huì) (現(xiàn)材料性能與保護(hù)協(xié)會(huì)) 標(biāo)準(zhǔn) (NACE/AMPP) 、挪威石油工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(NORSOK)以及相關(guān)船級(jí)社規(guī)范等[22-36]。

表2 船舶與海洋工程用犧牲陽(yáng)極材料和試驗(yàn)方法的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Foreign standards for sacrificial anodes materials and test methods used for marine ships and offshore structures

ISO 20313 “船舶與海洋技術(shù)-船舶的陰極保護(hù)”規(guī)定了船舶陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則以及陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行與維護(hù)要求,包括犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于船體水下部位(含舵、螺旋槳、軸、減搖鰭等附體)以及海水壓載艙的保護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)的附錄給出了船舶陰極保護(hù)用犧牲陽(yáng)極的技術(shù)要求,推薦的陽(yáng)極材料為鋁-鋅-銦合金犧牲陽(yáng)極和鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極。標(biāo)準(zhǔn)中還給出了犧牲陽(yáng)極接水電阻、發(fā)生電流和使用壽命的計(jì)算方法,以及在船體尾部和壓載艙中的特殊布置和安裝要求。在犧牲陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)過(guò)程中,可通過(guò)測(cè)量保護(hù)電位和進(jìn)行水下檢查或干塢檢查,以評(píng)估犧牲陽(yáng)極的消耗狀況和船體保護(hù)效果[22]。

ISO 15589-2為海底油氣管道陰極保護(hù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),屬于陰極保護(hù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了海底管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、檢查和維護(hù)等要求,并給出了推薦的做法。該標(biāo)準(zhǔn)適用于新的陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝和舊的陰極保護(hù)系統(tǒng)的修復(fù)與更新。犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)都可以達(dá)到保護(hù)效果,需要結(jié)合具體的工況條件來(lái)選擇。采用鐲式陽(yáng)極或由多塊條狀陽(yáng)極成組布置的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠,日常不用維護(hù),在實(shí)際工程中得到很多應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)犧牲陽(yáng)極材料及其適用條件、犧牲陽(yáng)極的性能、陽(yáng)極的制造和質(zhì)量控制、犧牲陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝、陰極保護(hù)的監(jiān)測(cè)和檢查等均有規(guī)定。由于海底管道埋設(shè)在海底,通常采用潛水員或水下機(jī)器人(ROV)進(jìn)行管道保護(hù)狀況、犧牲陽(yáng)極狀態(tài)檢查以及電位測(cè)量。對(duì)于立管或平臺(tái)附近的管段,也可安裝固定式陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置,通過(guò)測(cè)量保護(hù)電位、犧牲陽(yáng)極的輸出電流來(lái)確定管段的保護(hù)情況和犧牲陽(yáng)極的工作狀態(tài)。有時(shí)也通過(guò)測(cè)量水中的電場(chǎng)梯度來(lái)評(píng)價(jià)陽(yáng)極和管道的電流密度水平以及定位涂層破損部位[23]。

EN 12496 “海水和海泥中陰極保護(hù)用犧牲陽(yáng)極” 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在海水和海泥環(huán)境中使用的犧牲陽(yáng)極的化學(xué)成分、電化學(xué)性能、尺寸和質(zhì)量的誤差、測(cè)試和檢驗(yàn)的程序,涉及鑄造成形的犧牲陽(yáng)極[24]。

NACE SP0387和NACE SP0492兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了海洋工程用鑄造犧牲陽(yáng)極和海底管道用鐲式陽(yáng)極的冶金質(zhì)量和檢驗(yàn)要求[25, 26],前者主要針對(duì)海工平臺(tái)用大塊陽(yáng)極(單塊陽(yáng)極凈重不小于50 kg),后者則針對(duì)海底管道陰極保護(hù)用鐲式陽(yáng)極。該兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均不涉及具體的犧牲陽(yáng)極化學(xué)成分和電化學(xué)性能。NACE RP0176規(guī)定了海上石油生產(chǎn)鋼質(zhì)固定結(jié)構(gòu)的腐蝕控制要求,包括腐蝕控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、陰極保護(hù)準(zhǔn)則、陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝、雜散電流干擾控制、陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)、飛濺區(qū)的腐蝕控制措施及其維護(hù)、金屬表面預(yù)處理、涂層體系與施工和檢驗(yàn)、腐蝕控制記錄等。附錄中給出了各種商用犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能要求[27]。NACE TM 0190-2006規(guī)定了鋁犧牲陽(yáng)極實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試用外加電流試驗(yàn)方法,用于確定犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能,以便評(píng)價(jià)犧牲陽(yáng)極產(chǎn)品的質(zhì)量[28]。需要注意的是,實(shí)驗(yàn)室短期試驗(yàn)所獲得的性能測(cè)試結(jié)果不應(yīng)作為陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

NORSOK M-503為挪威石油工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)浸沒(méi)在海水中設(shè)施(或設(shè)備)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、犧牲陽(yáng)極生產(chǎn)制造與安裝提出了要求。該標(biāo)準(zhǔn)僅涉及犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù),對(duì)鋅合金和鋁合金犧牲陽(yáng)極的成分、電化學(xué)性能以及檢測(cè)試驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)定[29]。

ASTM B418和ASTM F1182均為鋅犧牲陽(yáng)極規(guī)范,但ASTM B418涉及兩種鑄造或擠壓成形鋅陽(yáng)極,一種為用于海水、咸水和其他含鹽溶液中的鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極,另一種為用于其他水溶液、填料、土壤中的純鋅陽(yáng)極。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋅及鋅合金犧牲陽(yáng)極的化學(xué)成分、適用溫度、加工和表面質(zhì)量等要求[30]。而ASTM F1182涉及鑄造或機(jī)加工成形的鋅-鋁-鎘合金犧牲陽(yáng)極,主要用于海洋船舶、海水冷凝器、熱交換器的保護(hù)[31]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了陽(yáng)極的分類(lèi)、型號(hào)規(guī)格、陽(yáng)極成分、鋼芯材料和形狀、陽(yáng)極尺寸和質(zhì)量偏差、表面質(zhì)量、檢驗(yàn)等要求。

ABS 289為美國(guó)船級(jí)社制定的船舶陰極保護(hù)指導(dǎo)性說(shuō)明文件,給出了船舶陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、安裝與維護(hù)的相關(guān)要求和推薦做法。針對(duì)船舶的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù),給出了不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋅合金和鋁合金犧牲陽(yáng)極的化學(xué)成分和電化學(xué)性能[32]。

DNV-RP-B401為挪威船級(jí)社制定的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)推薦實(shí)施規(guī)范,涉及采用鋅基或鋁基犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、陽(yáng)極的制造、檢驗(yàn)和安裝,適用于海上油氣生產(chǎn)用永久性安裝的固定式結(jié)構(gòu)物。該標(biāo)準(zhǔn)在海洋工程陰極保護(hù)領(lǐng)域得到廣泛使用。該標(biāo)準(zhǔn)給出了陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的內(nèi)容,包括陰極保護(hù)的局限性、環(huán)境參數(shù)對(duì)陰極保護(hù)的影響、不同材料適宜的保護(hù)電位、陰極保護(hù)可能帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)、鈣質(zhì)沉積層的影響、涂層和陰極保護(hù)的聯(lián)合作用、其他結(jié)構(gòu)物的干擾等。該標(biāo)準(zhǔn)還給出了設(shè)計(jì)保護(hù)壽命、設(shè)計(jì)電流密度、涂層破損因子、犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能、海水和海泥的電阻率、犧牲陽(yáng)極的利用率等陰極保護(hù)參數(shù)的選擇指南,并提供了陰極保護(hù)設(shè)計(jì)流程和計(jì)算方法[33]。DNV-RP-F103 為海底管線陰極保護(hù)實(shí)施規(guī)范。對(duì)于海底管線來(lái)說(shuō),通常都是采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)。該規(guī)范涉及采用鋅基或鋁基犧牲陽(yáng)極的海底管線陰極保護(hù)詳細(xì)設(shè)計(jì)、犧牲陽(yáng)極的制造、檢驗(yàn)和安裝[34]。

2 國(guó)內(nèi)外船舶與海洋工程用犧牲陽(yáng)極檢驗(yàn)要求對(duì)比分析

犧牲陽(yáng)極的質(zhì)量是影響陰極保護(hù)效果的關(guān)鍵因素。犧牲陽(yáng)極的生產(chǎn)廠家應(yīng)具有質(zhì)量保證體系,并對(duì)陽(yáng)極產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效控制。犧牲陽(yáng)極檢驗(yàn)內(nèi)容主要包括陽(yáng)極尺寸和質(zhì)量、表面質(zhì)量、陽(yáng)極與鋼芯的接觸電阻、化學(xué)成分和電化學(xué)性能等。

2.1 陽(yáng)極尺寸和質(zhì)量

陽(yáng)極的形狀和尺寸不僅影響陽(yáng)極的安裝,而且影響陽(yáng)極的接水電阻,進(jìn)而影響陽(yáng)極的發(fā)生電流量。陽(yáng)極的質(zhì)量會(huì)影響陽(yáng)極的保護(hù)壽命。GB/T 4948和GB/T 4950對(duì)塊狀陽(yáng)極允許的長(zhǎng)度偏差為±2%,寬度偏差為±3%,厚度偏差為±5%,直線度偏差不大于2%。每塊陽(yáng)極允許毛重偏差為±3%,但每批次陽(yáng)極總質(zhì)量不允許出現(xiàn)負(fù)偏差。

ISO 15589-2則對(duì)海底管道保護(hù)用犧牲陽(yáng)極的凈重提出了要求,當(dāng)單塊陽(yáng)極質(zhì)量超過(guò)50 kg時(shí),要求每塊陽(yáng)極的凈重偏差不超過(guò)±3%;而當(dāng)陽(yáng)極質(zhì)量小于50 kg時(shí),允許的陽(yáng)極凈重偏差為±5%。但每批次陽(yáng)極總凈重不允許出現(xiàn)負(fù)偏差。對(duì)于長(zhǎng)條狀陽(yáng)極,陽(yáng)極的長(zhǎng)度偏差應(yīng)在±3%以?xún)?nèi)或±25 mm,以?xún)烧咧械妮^小值為準(zhǔn);陽(yáng)極寬度允許偏差為±5%;厚度的允許偏差為±10%;如陽(yáng)極截面為圓形,則直徑允許偏差為±5%。長(zhǎng)條狀陽(yáng)極的直線度偏差不大于2%。對(duì)于鐲式陽(yáng)極,其長(zhǎng)度偏差要求和長(zhǎng)條狀陽(yáng)極是一致的,而厚度允許偏差為±3 mm。另外,根據(jù)海底管道直徑的大小,對(duì)鐲式陽(yáng)極的內(nèi)徑偏差提出了不同的要求。由此可見(jiàn)ISO 15589-2比GB/T 4948和GB/T 4950的規(guī)定更細(xì)致,針對(duì)性更強(qiáng)。EN 12496對(duì)犧牲陽(yáng)極的質(zhì)量和尺寸的要求與ISO 15589-2基本是一致的,但規(guī)定了每批次陽(yáng)極總凈重的正偏差應(yīng)不超過(guò)2%。另外,對(duì)圓形截面的長(zhǎng)條陽(yáng)極,直徑允許的偏差更小一些,要求在±2.5%。

NACE SP0387主要適用于近海平臺(tái)陰極保護(hù)用大塊陽(yáng)極(單塊凈重不小于50 kg),要求每塊陽(yáng)極的凈重偏差不超過(guò)±3%或者2.3 kg,以?xún)烧咧休^大值為允許的偏差值。每項(xiàng)合同陽(yáng)極的總質(zhì)量須為正偏差,但不應(yīng)超過(guò)2%。陽(yáng)極的尺寸偏差要求與EN 12496是一致的。NACE SP0492則針對(duì)海底管道用鐲式陽(yáng)極,要求單塊陽(yáng)極的凈重應(yīng)大于設(shè)計(jì)凈重的97%,所供陽(yáng)極總的凈重不應(yīng)低于合同規(guī)定的陽(yáng)極總凈重。而鐲式陽(yáng)極的尺寸偏差要求則與ISO 15589-2完全一致。

ASTM F1182對(duì)鋅合金犧牲陽(yáng)極質(zhì)量偏差做了規(guī)定,對(duì)每種規(guī)格型號(hào)的單塊陽(yáng)極有最小的質(zhì)量要求,并規(guī)定每種規(guī)格型號(hào)陽(yáng)極的總質(zhì)量除以陽(yáng)極數(shù)量后的單塊陽(yáng)極平均質(zhì)量應(yīng)大于等于該陽(yáng)極要求的最小質(zhì)量。同時(shí),對(duì)各種陽(yáng)極的尺寸偏差也做了相應(yīng)的規(guī)定。

DNV-RP-B401中關(guān)于犧牲陽(yáng)極材料和制造質(zhì)量控制方面的要求與NACE SP0387的規(guī)定一致。DNV-RP-F103中關(guān)于海底管道陰極保護(hù)用犧牲陽(yáng)極的材料和制造質(zhì)量控制則與ISO 15589-2是一致的。

2.2 表面質(zhì)量

GB/T 4948和GB/T 4950規(guī)定犧牲陽(yáng)極的鑄造表面可直接作為工作面,一般不需要額外加工,但陽(yáng)極表面應(yīng)清潔,不應(yīng)沾染油漆和油污,并且陽(yáng)極表面應(yīng)無(wú)氧化渣、毛刺、飛邊等缺陷。陽(yáng)極表面允許有較小的鑄造縮孔,但深度不應(yīng)超過(guò)10 mm,且不應(yīng)超過(guò)厚度的10%。鋅合金陽(yáng)極不允許有裂紋,而鋁合金陽(yáng)極允許有長(zhǎng)度不超過(guò)50 mm、深度不超過(guò)5 mm橫向細(xì)裂紋存在,但不允許有裂紋團(tuán)。

ISO 15589-2對(duì)長(zhǎng)條狀陽(yáng)極和鐲式陽(yáng)極允許的表面缺陷做出了詳細(xì)規(guī)定,并對(duì)陽(yáng)極內(nèi)部缺陷提出限制要求(通過(guò)破壞試驗(yàn)來(lái)檢測(cè))。對(duì)于長(zhǎng)條狀陽(yáng)極,縮孔深度不應(yīng)超過(guò)陽(yáng)極表面到鋼芯厚度的10%,在補(bǔ)充澆注區(qū)域,最大縮孔深度不應(yīng)超過(guò)10 mm,且縮孔體積不大于0.5%的陽(yáng)極總體積。冷隔深度不應(yīng)超過(guò)10 mm,延伸的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)陽(yáng)極寬度的3倍。對(duì)于鐲式陽(yáng)極,縮孔深度應(yīng)小于陽(yáng)極厚度的10%,縮孔處不得暴露出陽(yáng)極鋼芯。在補(bǔ)充澆注區(qū)域,對(duì)縮孔的要求與長(zhǎng)條狀陽(yáng)極相同。冷隔深度應(yīng)小于10 mm,延伸的長(zhǎng)度應(yīng)小于150 mm。鋅合金陽(yáng)極表面不允許存在肉眼可見(jiàn)的裂紋,而鋁合金陽(yáng)極可以允許存在裂紋,但必須滿足相應(yīng)的要求。在沒(méi)有鋼芯完全支撐的部位,鋁合金陽(yáng)極不允許有肉眼可見(jiàn)的裂紋,裂紋深度也不允許穿透到鋼芯或貫通陽(yáng)極。對(duì)于長(zhǎng)條狀陽(yáng)極,在有鋼芯支撐的部位,裂紋長(zhǎng)度不應(yīng)大于100 mm,寬度不應(yīng)大于1 mm;不允許存在縱向的裂紋;每塊陽(yáng)極上的裂紋數(shù)量不應(yīng)超過(guò)10條,其中寬度小于0.5 mm的裂紋忽略不計(jì),小而密的裂紋計(jì)為一條裂紋。對(duì)于鐲式鋁合金陽(yáng)極,當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于100 mm或陽(yáng)極直徑的50%(取較大值),或者裂紋寬度大于3 mm時(shí),則該陽(yáng)極的質(zhì)量為不合格。

NACE SP0492規(guī)定了鐲式陽(yáng)極縮孔深度不應(yīng)超過(guò)陽(yáng)極名義厚度的10%,且不允許露出陽(yáng)極鋼芯。陽(yáng)極表面的冷隔或折疊深度不應(yīng)超過(guò)10 mm時(shí),延伸長(zhǎng)度不應(yīng)大于150 mm。對(duì)于有鋼芯的鋁合金犧牲陽(yáng)極,由于鋁合金和鋼芯之間熱膨脹系數(shù)差別較大,而鐲式陽(yáng)極厚度通常較薄,因此鑄造時(shí)容易出現(xiàn)裂紋。當(dāng)陽(yáng)極長(zhǎng)度方向的裂紋寬度不大于0.5 mm、裂紋長(zhǎng)度不超過(guò)陽(yáng)極長(zhǎng)度的20%,周向或橫向的微裂紋寬度不大于0.5 mm、長(zhǎng)度小于陽(yáng)極內(nèi)徑的50%時(shí),這些裂紋是允許存在的。而當(dāng)裂紋寬度大于3 mm,裂紋長(zhǎng)度超過(guò)陽(yáng)極長(zhǎng)度的50%或周向(橫向)裂紋超過(guò)陽(yáng)極內(nèi)徑的50%,或者裂紋深度超過(guò)陽(yáng)極表面至鋼芯厚度的50%時(shí),陽(yáng)極即為不合格品。當(dāng)陽(yáng)極表面裂紋尺寸介于上述條件之間時(shí),需要根據(jù)鋼芯和陽(yáng)極的設(shè)計(jì)情況由供需雙方商定是否合格。

NACE SP0387對(duì)縮孔、冷隔等要求與NACE SP0492是一致的,但對(duì)表面裂紋的要求存在差異。除了最后補(bǔ)澆的金屬外,陽(yáng)極縱向不允許出現(xiàn)裂紋。如果橫向裂紋寬度不超過(guò)5 mm(不管長(zhǎng)度和深度),并且每塊陽(yáng)極上裂紋數(shù)量少于10條,則仍然可認(rèn)為是合格的。小而密的微裂紋可以算作一條裂紋,而寬度不大于0.5 mm的裂紋不應(yīng)計(jì)入。另外,不允許存在環(huán)周向的裂紋。對(duì)于沒(méi)有鋼芯的陽(yáng)極,則不允許存在肉眼可見(jiàn)的裂紋。為檢測(cè)陽(yáng)極內(nèi)部缺陷,NACE SP0387和NACE SP0492均要求對(duì)抽取陽(yáng)極在規(guī)定位置處的截面切開(kāi)檢查,以評(píng)估夾雜、孔洞等缺陷以及鋼芯與陽(yáng)極體界面的接觸情況,內(nèi)部缺陷的面積或長(zhǎng)度應(yīng)符合相應(yīng)要求。

2.3 陽(yáng)極體與鋼芯的接觸電阻

鋼芯不僅起著支撐陽(yáng)極的作用,而且還起著電連接的作用,這就要求陽(yáng)極體和鋼芯之間具有很小的接觸電阻。GB/T 4948和GB/T 4950規(guī)定了陽(yáng)極體與鋼芯之間的接觸電阻應(yīng)不大于0.001 Ω。ISO 15589-2、EN12496、NACE SP0387和NACE SP0492則規(guī)定,陽(yáng)極在規(guī)定的多個(gè)位置處截?cái)嗪?截面中鋼芯與陽(yáng)極體接觸不良部位的平均長(zhǎng)度應(yīng)最大不超過(guò)鋼芯周長(zhǎng)的10%,并且單個(gè)截面中最大不允許超過(guò)20%。

2.4 化學(xué)成分

化學(xué)成分是決定犧牲陽(yáng)極性能的關(guān)鍵因素。GB/T 4948規(guī)定了五種鋁-鋅-銦系合金犧牲陽(yáng)極的化學(xué)成分,包括鋁-鋅-銦-鎘(A11)、鋁-鋅-銦-錫(A12)、鋁-鋅-銦-硅(A13)、鋁-鋅-銦-錫-鎂(A14)以及鋁-鋅-銦-鎂-鈦(A21)合金陽(yáng)極。其中,前4種為常規(guī)鋁合金犧牲陽(yáng)極,最后1種為高效率鋁合金犧牲陽(yáng)極。通過(guò)加入多種活化元素并控制雜質(zhì)元素的含量,使得鋁合金犧牲陽(yáng)極溶解均勻并具有良好的電化學(xué)性能。GB/T 4950規(guī)定了鋅合金犧牲陽(yáng)極的化學(xué)成分,該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)陽(yáng)極的成分將鋅基陽(yáng)極分為3種類(lèi)型,I型和II型均為鋅-鋁-鎘合金,但合金元素鋁和鎘的含量范圍以及雜質(zhì)元素硅的含量上限存在一定差異。I型陽(yáng)極為我國(guó)研制的犧牲陽(yáng)極,II型陽(yáng)極的成分與ASTM B418中的I型陽(yáng)極保持了一致。III型為高純鋅陽(yáng)極,等同于ASTM B418中的II型陽(yáng)極。ASTM F1182規(guī)定的鋅-鋁-鎘合金陽(yáng)極的成分與ASTM B418中的I型陽(yáng)極基本一致,但鎘含量的上限更寬。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定鋅-鋁-鎘合金陽(yáng)極的使用溫度不應(yīng)超過(guò)50 ℃,以免發(fā)生晶間腐蝕。

ISO 15589-2給出了典型的鋅合金和鋁合金犧牲陽(yáng)極的化學(xué)成分,所給出的鋅合金陽(yáng)極為鋅-鋁-鎘合金;而給出的鋁合金陽(yáng)極為鋁-鋅-銦三元合金。鋅合金陽(yáng)極成分與GB/T 4950中的II型陽(yáng)極、EN 12496中規(guī)定的Z1合金是一致的,而鋁合金陽(yáng)極與EN 12496中的A2合金相近。同時(shí),該標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定只要電化學(xué)性能達(dá)到要求,其他成分的鋅合金陽(yáng)極和鋁合金陽(yáng)極也可以使用。

EN 12496規(guī)定了多種鋅合金和鋁合金犧牲陽(yáng)極的化學(xué)成分要求。鋅合金陽(yáng)極包括鋅-鋁-鎘合金(Z1)、高純鋅(Z2)、低鐵含量鋅-鋁-鎘合金(Z3)以及鋅-鋁-鎂合金(Z4),其中Z1和Z3合金不適合用于50 ℃以上的環(huán)境。鋁合金陽(yáng)極包括2種鋁-鋅-銦合金(A1和A2)、1種鋁-鋅-銦-硅合金(A3)和1種鋁-鎵合金(A4),A2和A1的區(qū)別在于A2的合金元素的含量范圍更窄、雜質(zhì)含量控制更嚴(yán)格。A1為海水中通用型陽(yáng)極,A2則主要用于海洋工程中,A3主要用于深水或冷水環(huán)境,而A4為低驅(qū)動(dòng)電位陽(yáng)極,主要用于高強(qiáng)鋼等對(duì)氫脆敏感材料的保護(hù)。

2.5 電化學(xué)性能

犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能涵括實(shí)際服役性能和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能,前者是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和維護(hù)的重要參數(shù),而后者是犧牲陽(yáng)極質(zhì)量控制和產(chǎn)品檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能參數(shù)包括開(kāi)路電位、工作電位、實(shí)際電容量(消耗率)、電流效率、表面溶解狀況等,其中工作電位和實(shí)際電容量是最常用的指標(biāo)。GB/T 4948規(guī)定了鋁合金陽(yáng)極在海水中的電化學(xué)性能,其開(kāi)路電位為-1.18～-1.10 V (相對(duì)于SCE),工作電位為-1.12～-1.05 V(相對(duì)于SCE),試驗(yàn)后陽(yáng)極表面應(yīng)溶解均勻。對(duì)于常規(guī)鋁合金陽(yáng)極(A11～A14),實(shí)際電容量應(yīng)不小于2 400 A·h/kg,電流效率應(yīng)不低于85%;而對(duì)于高效鋁合金犧牲陽(yáng)極(A21),要求實(shí)際電容量應(yīng)不小于2 600 A·h/kg,電流效率應(yīng)不低于90%。GB/T 4950規(guī)定了鋅合金陽(yáng)極在海水中的電化學(xué)性能,要求開(kāi)路電位應(yīng)不大于-1.05 V(相對(duì)于 SCE),工作電位應(yīng)不大于-1.00 V(相對(duì)于 SCE),表面應(yīng)溶解均勻。鋅-鋁-鎘合金陽(yáng)極(I型和II型)的實(shí)際電容量應(yīng)不小于780 A·h/kg,電流效率應(yīng)不低于95%;高純鋅陽(yáng)極(III型)的實(shí)際電容量應(yīng)不小于760 A·h/kg,電流效率應(yīng)不低于92%。

ISO 15589-2規(guī)定鋅合金陽(yáng)極的工作電位應(yīng)不大于-1.03 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于780 A·h/kg;鋁合金陽(yáng)極的工作電位應(yīng)不大于-1.05 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于2 500 A·h/kg。

EN 12496規(guī)定在海水中,鋅合金陽(yáng)極(Z1、Z3和Z4)的工作電位應(yīng)不大于-1.03 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于780 A·h/kg;高純鋅陽(yáng)極(Z2)的工作電位應(yīng)不大于-1.00 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于760 A·h/kg。鋁-鋅-銦系合金(A1、A2和A3)犧牲陽(yáng)極的工作電位應(yīng)不大于-1.09 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于2 500 A·h/kg;鋁-鎵合金陽(yáng)極(A4)的工作電位為-0.83 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于1 500 A·h/kg。

ASTM B418和ASTM F1182沒(méi)有規(guī)定鋅合金陽(yáng)極的電化學(xué)性能。NACE RP0176附錄中也給出了典型犧牲陽(yáng)極在海水中的電化學(xué)性能,鋅-鋁-鎘合金陽(yáng)極的工作電位為-1.05～-1.00 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量為770～820 A·h/kg;鋁-鋅-銦合金陽(yáng)極的工作電位為-1.10～-1.05 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量為2 290 ～2 600 A·h/kg。該電化學(xué)性能數(shù)據(jù)來(lái)自于實(shí)際長(zhǎng)周期實(shí)海試驗(yàn)結(jié)果。

NORSOK M503規(guī)定了犧牲陽(yáng)極生產(chǎn)檢驗(yàn)時(shí)的電化學(xué)性能要求。鋅陽(yáng)極的工作電位和實(shí)際電容量與ISO 15589-2的規(guī)定一致;鋁-鋅-銦合金陽(yáng)極的工作電位應(yīng)不大于-1.07 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量的平均值應(yīng)達(dá)到2 600 A·h/kg。

DNV-RP-B401和DNV-RP-F103規(guī)定采用4 d法測(cè)量犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能時(shí),鋅基陽(yáng)極的工作電位應(yīng)不大于-1.00 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于780 A·h/kg;鋁基陽(yáng)極的工作電位應(yīng)不大于-1.05 V(相對(duì)于Ag/AgCl/海水),實(shí)際電容量應(yīng)不小于2 500 A·h/kg。該規(guī)范還給出了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)長(zhǎng)周期(12個(gè)月)電化學(xué)性能試驗(yàn)方法,用于犧牲陽(yáng)極的型式檢驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

(1)對(duì)比國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以看出,船舶和海洋工程陰極保護(hù)用犧牲陽(yáng)極主要為鋅-鋁-鎘合金和鋁-鋅-銦系合金,這些陽(yáng)極均具有優(yōu)良的電化學(xué)性能。由于鋁合金陽(yáng)極具有比鋅合金陽(yáng)極更大的實(shí)際電容量,因此在船舶和海洋工程中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。不論是鋅合金還是鋁合金陽(yáng)極,都有多種不同的成分類(lèi)型,需要根據(jù)每種成分犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能和適用環(huán)境來(lái)合理選用。

(2)在現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)一步完善我國(guó)船舶及海洋工程用犧牲陽(yáng)極標(biāo)準(zhǔn)體系。一些新型犧牲陽(yáng)極材料如鐵合金犧牲陽(yáng)極、深海犧牲陽(yáng)極以及低電位犧牲陽(yáng)極等需要盡快制定或納入標(biāo)準(zhǔn),以促進(jìn)新型犧牲陽(yáng)極材料的推廣應(yīng)用?，F(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有犧牲陽(yáng)極長(zhǎng)周期電化學(xué)性能試驗(yàn)方法和性能要求,可考慮在后續(xù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)納入。

(3)犧牲陽(yáng)極需檢測(cè)的項(xiàng)目主要包括物理性能(質(zhì)量和尺寸、表面質(zhì)量、鋼芯與陽(yáng)極體的結(jié)合狀態(tài))、化學(xué)成分和電化學(xué)性能。針對(duì)不同用途和不同類(lèi)型以及規(guī)格的犧牲陽(yáng)極,不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)陽(yáng)極性能的要求存在一定的差異。因此,在比較犧牲陽(yáng)極材料的性能時(shí),必須注明所采用的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于犧牲陽(yáng)極質(zhì)量控制,一般采用實(shí)驗(yàn)室短周期電化學(xué)性能試驗(yàn),而對(duì)于犧牲陽(yáng)極型式檢驗(yàn)(定型試驗(yàn)),傾向于進(jìn)行長(zhǎng)周期電化學(xué)性能試驗(yàn),以獲得犧牲陽(yáng)極的長(zhǎng)期性能,更好支撐陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。另外,需要掌握犧牲陽(yáng)極化學(xué)成分和電化學(xué)性能之間的關(guān)系。應(yīng)不斷積累相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立成分-性能關(guān)系模型,從而進(jìn)一步優(yōu)化陽(yáng)極的化學(xué)成分范圍和電化學(xué)性能。