陰極保護技術在水工金屬結構埋件上的應用

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.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，鄭州450045）

隨著我國水利工程建設的不斷發展，修建了大量水閘、水庫、水電站及船閘等水利工程設施。水工金屬結構是水利水電樞紐中不可缺少的重要設施［1］，埋件也是水工金屬結構的重要組成部分。由于它們長期在水中工作或在干濕交替的環境中運行，受各種水質及微生物的侵蝕，同時會受到水流、泥沙及一些漂浮物的摩擦，普遍會發生不同程度的腐蝕。根據SL105－2007《水工金屬結構防腐蝕規范》，目前埋件外露面普遍采用金屬涂層＋軟涂層復合保護的方法，埋入面則采用噴水泥砂漿的方法進行保護。由于閘門滑塊或者滾輪的摩擦作用，涂層很容易脫落導致埋件生銹。由于埋件可更換性差，更換成本高，延長埋件使用壽命刻不容緩。

陰極保護技術是電化學保護技術的一種，其原理是向被腐蝕金屬結構施加一個外加電流，被保護結構成為陰極，從而使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發生［2-4］。陰極保護技術在化工、冶金、石油石化、燃氣行業、港口金屬結構保護方面得到了廣泛的應用，是一種延長金屬結構使用壽命行之有效的方法。本工作將陰極保護技術應用于水工金屬結構埋件，以期為埋件提供切實可行的長效保護方式。

1 試驗

1.1 埋件

試驗用埋件委托三門峽水工機械有限公司制作，埋件尺寸與某工程設計圖紙相似，6 000 mm×200 mm。埋件外露面處于自然腐蝕狀態，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的混凝土試驗水池內。埋件與試驗水池地面采用木板進行隔離。在埋件上每隔0.5 m焊接一個金屬構件，作為試驗過程中的電位測量點。

1.2 犧牲陽極材料

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

表1 犧牲陽極的種類及其電化學性能Tab.1 Types and electrochemical properties of sacrificial anodes

1.3 試驗儀器

試驗用恒電位儀為北京中腐防蝕工程技術有限公司生產的PS-268A型恒電位儀。試驗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于CSE，試驗前用飽和甘汞電極進行了標定。試驗過程中使用ProDSS多參數水質分析儀對水質進行測量，儀器使用前采用標準溶液進行標定。

2 結果與討論

2.1 犧牲陽極的開路電位

由圖1可見：在淡水環境中，犧牲陽極的開路電位隨著溶液電導率的變化而變化，溶液電導率增加，犧牲陽極開路電位隨之下降，說明電導率是影響犧牲陽極開路電位的重要因素。由于鎂的化學活潑性，鎂陽極的開路電位比鋅陽極、鋁陽極的更負。在淡水中，鋁陽極的開始電位比鋅陽極的正，這主要是由于鋁陽極表面形成的鋁氧化膜比較致密，不容易從陽極表面脫落的緣故。

2.2 溶液電導率對保護距離的影響

由圖2可見：隨著電導率的降低，三種犧牲陽極產生的保護電位隨之很快降低，且降低規律相似。三種犧牲陽極的保護距離均很短，按照保護電位達到－0.85 V的判據［5-8］，鋁陽極和鋅陽極在300～2 000μS／cm溶液中的保護距離均小于100 cm，無法對此環境中的埋件產生保護作用。基本只有鎂合金在溶液電導率為2 000μS／cm時，對金屬埋件有100 cm的保護距離，且在同種溶液中，鎂陽極對埋件的保護距離比鋅陽極、鋁陽極的稍大。

圖1 幾種犧牲陽極在不同電導率環境中的開路電位Fig.1 Open circuit potentials of several sacrificial anodes in different conductivity environments

2.3 恒電位極化對保護距離的影響

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

2.4 討論

圖2 不同電導率溶液中，幾種陽極對埋件產生的保護電位與保護距離的關系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 不同電導率溶液中，極化電位對鎂合金陽極的保護電位和保護距離的影響Fig.3 Effects of polarization potential on protection potential and protection distance of magnesium alloy anode in different conductivity solutions

電化學陰極保護技術在許多行業得到了廣泛應用，而且－0.85 V也是被普遍接受的陰保判據，水工金屬結構也不例外［9-10］。水工金屬結構埋件所處水質環境以淡水環境為主，如長江、黃河為代表的淡水的電導率普遍不高，黃河三門峽水庫長年電導率為800～1 400μS／cm［11］，長江流域水質的電導率更低，為200～400μS／cm［12］。試驗結果表明，電導率低于2 000μS／cm時，犧牲陽極的保護距離很短，使用時需要消耗大量的陽極材料，在設計施工時會產生很大的障礙，因此，犧牲陽極法在淡水環境中基本不適用。水工金屬結構埋件處于海淡水及海水環境中時，海淡水電導率為5 000～8 000μS／cm，海水電導率為30 000～40 000μS／cm，隨著溶液電導率的增大，犧牲陽極的保護距離也隨之增大，這極大地提高了犧牲陽極的適用性。因此，在海淡水及海水環境中，犧牲陽極法可用于保護埋件。

在普通淡水環境中使用恒電位極化方法，即使溶液電導率較低，達到－850 mV的保護距離接近500 cm，且可以通過提高極化電位來增大保護距離；提高溶液電導率，也可大大增加保護距離。因此，恒電位極化方法可作為一種長效保護方法保護埋件。

3 結論

（1）溶液電導率是影響陰極保護效果的決定性因素，電導率越大，陰極保護距離越大；

（2）恒電位極化時，極化電位越負，陰極保護距離越大；

（3）犧牲陽極法基本不適用于大多數淡水環境中的埋件，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、海水環境中埋件的保護。